José Francisco Gómez González Benjamín González Díaz María de la Peña Fabiani Bendicho Ernesto Pereda de Pablo

Transcripción

1 José Francisco Gómez González Benjamín González Díaz María de la Peña Fabiani Bendicho Ernesto Pereda de Pablo

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3 PUNTOS OBJETO DE ESTUDIO Introducción Transformador ideal Transformador real Ensayos de los transformadores Rendimiento, régimen de carga y regulación de voltaje Autotransformador Transformador trifásico

4 INTRODUCCIÓN CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Sin elementos móviles: estáticas (transformadores) Con elementos móviles: dinámicas o rotatorias Si convierten potencia eléctrica en mecánica: motores Si convierten potencia mecánica en eléctrica: generadores 4

5 Teoría Elemental TRANSFORMADORES (I) DEFINICIÓN: Máquinas estáticas cuya finalidad es trasmitir (mediante B alterno) energía eléctrica de un sistema con V dada a otro sistema con V deseada. FUNDAMENTOS: Acoplamiento magnético + Circuitos magnéticos NOMENCLATURA: Devanado primario(= recibe energía) y secundario (=suministra energía) Devanado de alta tensión (AT) y devanado de baja tensión (BT) Coeficiente de acoplamiento k (Recordar 0 k 1). k 0 Bobinas débilmente acopladas. k 1 Bobinas fuertemente acopladas. Para tener un buen transformador las bobinas han de estar fuertemente acopladas. 5

6 TRANSFORMADORES (II) TEORÍA ELEMENTAL CLASIFICACIÓN: Finalidad: de potencia, de medida, de comunicación... Tipo de tensión: monofásicos, trifásicos... Medio: para interior, intemperie... Elemento refrigerante: en seco, con baño de aceite SIMBOLOS: Monofásicos: (a), (b), (c) y (d) Trifásicos: (e) y (f) VALORES NOMINALES: Tensiones y corrientes nominales: V,I para las que ha sido proyectado. Potencia nominal: V nominal primaria x corriente nominal correspondiente. 6

7 TRANSFORMADORES IDEALES (I) TRANSFORMADOR MONOFÁSICO IDEAL Definición: Transformador ideal es aquel que no tiene pérdidas de energía Transformador ideal = dos bobinas con acoplamiento magnético que cumplen: Bobinas ideales (sin resistencia ni capacidad) No hay pérdidas de energía en el núcleo (histeresis+corrientes parásitas) Flujo de dispersión=0 (bobinas perfectamente acopladas k=1) Material ferromagnético con µ= ( reluctancia = 0) Símbolo Podríamos resolverlo como un problema de acoplamiento magnético (usando L y M), pero estas hipótesis nos permiten simplificar las ecuaciones que conocemos. 7

8 TRANSFORMADORES IDEALES (II) Ecuaciones básicas: relaciones de tensiones e intensidades. Relación de transformación: a= N 1 /N 2 con N 1 y N 2 = número de vueltas de las dos bobinas a) Relación de tensiones: b) Relación de intensidades: V 1 V 2 = N 1 N 2 = a I 1 I 2 = N 2 N 1 = 1 a!el signo depende de la referencia de V!!!El signo depende de la referencia de I!! Terminales correspondientes (puntos) mantienen la polaridad V ha de tener igual signo en los terminales correspondientes. Si no se cumple: V 1 = a V 2 I 1 = 1 I 2 a 8

9 Ecuaciones básicas. TRANSFORMADORES IDEALES (III) A. Relación de tensiones (Demostración) Recordemos: transformador = dos bobinas con acoplamiento magnético lo resolvemos. Con las referencias dibujadas: Trafo ideal: V 1 = jωl 1 I 1 + jωm I 2 V 2 = jωl 2 I 2 + jωm I µ = R = 0 L 1 = L 2 = M =? 1 (AC ) Recordar: dφ V i = N i i jωni Φ dt i separamos en la ecuaciones flujo mutuo y y el flujo de dispersión (Φ 1 =Φ m +Φ d1 ) φ m = flujo "comun" S 1 = N 1 φ d1 I V = jω S I ± jω N φ m V 2 = jω S 2 I 2 ± jω N 2 φ m 1 Trafo ideal Las dos bobinas tienen igual Φ No hay flujo de dispersión (Φ id =0) S 1 =S 2 =0 Transformador Ideal V 1 = jω N 1 φ m V 2 = jω N 2 φ m V 1 V 2 = ± N 1 N 2 9

10 TRANSFORMADORES IDEALES (IV) B. Relación de intensidades (Demostración) Recordemos que un transformador es un circuito magnético lo resolvemos como tal. Con la referencia de I 1 e I 2 dibujada: F = N 1 I 1 N 2 I 2 φ = F R TRAFO IDEAL: µ = R = 0 F = R φ = 0 N 1 I 1 N 2 I 2 = 0 I 1 I 2 = N 2 N 1 NOTA: Si dibujamos I2 en sentido contrario F = N 1 I 1 + N 2 I 2 = 0 I 1 I 2 = N 2 N 1 10

11 TRANSFORMADORES IDEALES (V) Transformación de impedancias. Transformador ideal + fuente en el primario + impedancia (carga) en el secundario: TRANSFORMADOR EN VACIO = Secundario en circuito abierto (Z= ) I 2 =0 I 1 =0 Z(entrada)=V 1 /I 1 = TRANSFORMADOR EN CORTOCIRCUITO = Secundario en CC (Z=0) V 2 =0 V 1 =0 Z(entrada)=V 1 /I 1 =0 TRANSFORMADOR EN CARGA= Impedancia Z en el secundario. Z SOLUCIÓN: V 2 = I 2 Z pero I = a I 2 1 V 1 = a V 2 V = I 1 1 Za2 Z(entrada) = Z a 2 con a = N 1 /N 2 NOTA: Transformador a plena carga = cuando Z es tal que V 1 e I 1 son los valores no 11

12 TRANSFORMADORES IDEALES (VI) Transformador ideal permite hacer una adaptación de impedancias Impedancia Z en el secundario es equivalente a una impedancia Za 2 en el primario. Z en primario es equivalente a Z/a 2 en el secundario NOTA: Al pasar impedancias de un circuito al otro mantienen su esquema serie/paralelo NOTA: Zp=impedancia aparente del primario=vp/ip (p=primario). Zs=impedancia de carga=vs/is (s=secundario). Z = p a2 Z s 12

13 TRANSFORMADORES IDEALES (VII) Transformación de fuentes: Cómo pasamos fuentes de tensión/intensidad del primario secundario? V 2 = V 1 a circuito equivalente : I 2 = I 1 a circuito equivalente : APLICACIÓN: Modelo equivalente de un transformador ideal Donde N=1/a 13

14 TRANSFORMADORES IDEALES (VIII) Equivalente Thevenin y Norton. Cálculo del equivalente Thevenin (o Norton) desde el secundario de un transformador: Podemos hacerlo por el método tradicional (ver Tema 1) o recordar como pasar impedancias y fuentes del primario al secundario: donde N primario N secundario = a Fuente de tensión + trafo ideal Equivalente Thevenin: Recordar que los puntos mantienen la polaridad de V V th = V g a Z th = Z g a 2 14

15 TRANSFORMADORES IDEALES (IX) Diagrama vectorial ( bajo excitación sinusoidal) U 1 = a U 2 I 2 = 1 a I 1 CONCLUSIONES: (recordar que a es real) No hay desfase entre las tensiones V en el primario y el secundario No hay desfase entre I en el primario y el secundario desfase(v 1 ϕ 1 = ϕ 2 Dependiendo de las referencias elegidas habrá un cambio de signo (desfase de 180º) en V y/o I En el bobinado con mayor número de vueltas tendremos más V y menos I NOTA: La relación de amplitudes y el desfase entre V 1 e I 1 depende de las Z conectadas al transformador. 15

16 TRANSFORMADORES IDEALES (X) Diagrama vectorial ( bajo excitación sinusoidal) CAMBIANDO LAS REFERENCIAS U 1 = a U 2 I 2 = 1 a I 1 U 1 = a U 2 I 2 = 1 a I 1 NOTA: φ=desfase(v 1,I 1 )=desfase(v 2,I 2 ) 16

17 TRANSFORMADOR REAL TRANSFORMADORES REALES (I) Hipótesis del TI (3.2.1) son falsas Tiene pérdidas de energía P(primario) > P(secundario) 17

18 TRANSFORMADORES REALES (II) Pérdidas de Energía de un transformador real. a) Bobinas reales: a) Flujo de dispersión (Φs) : Sólo parte del campo magnético que crea una bobina llega a la otra (Φm), el resto se pierde perdemos energía. Despreciamos los efectos capacitivos de las bobinas bobina real = bobina ideal + resistencia. Φs = flujo creado en el primario que no llega al secundario energía magnética perdida. 18

19 TRANSFORMADORES REALES (III) Pérdidas de Energía de un transformador real. Pérdidas en el material ferromagnético? c) Núcleo con pérdidas: Transformador real núcleo ferromagnético pérdidas de energía en el núcleo: - Pérdidas por histéresis (ver tema 1: Materiales ferromagnéticos) - Corrientes parásitas o de Foucault (ver tema 2: Inducción magnética) d) Corriente magnetizante : Núcleo ferromagnético real µ ( reluctancia 0) Parte de la corriente que circula por la bobina se gasta en crear el flujo magnético que circula por el núcleo. OBJETIVO: Convertir un transformador real en un transformador ideal Sustituimos el transformador real por cargas ideales (R,L y C ideales) que reproduzcan las pérdidas de energía del transformador real + Trafo ideal. MODELO EQUIVALENTE DE UN TRANSFORMADOR REAL 19

20 Modelo equivalente de un transformador real. Bobinas reales: TRANSFORMADORES REALES (IV) Bobina real = bobina ideal + Resistencia Ponemos R 1 y R 2 = resistencia real de las dos bobinas. Flujo de dispersión: Separamos en cada bobina el flujo utilizado + perdido φ 1 = φ m + φ d1 φ 2 = φ m + φ d 2 Bobina real=bobina(φ m )+Bobina(Φ S ) Sustituimos cada bobina (primario y secundario) por dos bobinas idénticas en serie: Bobina ideal (sin flujo de dispersión) Crea el flujo magnético mutuo en el hierro Bobina que crea Φ d Crea el flujo de dispersión que no llega al secundario (primario) sin acoplamiento magnético (fuera del hierro) Inductancia de dispersión L d1 =S 1 y L d2 =S 2 20

21 TRANSFORMADORES REALES (V) PERDIDAS DE LAS BOBINAS: Si el NUCLEO (material ferromagnético) fuese ideal el sistema sólo perdería potencia en R 1, R 2, L 1 y L 2 Lo del centro sería un transformador ideal e 1 e 2 = N 1 N 2 V 1 V 2 NOTA: En transformadores comerciales trabajando a plena carga (V 1 e I 1 = Valores nominales): I 1 (R 1 + jωl d1 ) <10%V 1 V 1 e 1 V 1 N 1 V 2 e 2 V 2 N 2 Pero el núcleo también tiene pérdidas Modelarlas con cargas ideales 21

22 PERDIDAS DEL NÚCLEO Núcleo ferromagnético con pérdidas: Material ferromagnético con AC Pérdidas por Histéresis + Corrientes de Foucault Pérdidas proporcionales a V 2 Equivalente a una resistencia R c en paralelo Corriente magnetizante: TRANSFORMADORES REALES (VI) μ Corriente necesaria para producir el flujo en el núcleo del transformador 0 Tiene muchos armónicos, pero lejos de la saturación retrasa el voltaje en 90º Pérdidas proporcionales a jv 2 Equivalente a una bobina X m en paralelo En el centro queda transformador Ideal Sin pérdidas de energía 22

23 TRANSFORMADORES REALES (VII) Modelo equivalente de un transformador real. Referido al primario Referido al secundario 23

24 TRANSFORMADORES REALES (VIII) Se cumplen las ecuaciones del transformador ideal? Hemos visto que a plena carga (valores nominales) se cumple Se cumple la transformación de intensidades? NO, pero casi V p V S N p N S Modelo equivalente I p = I S a + I 0 Pero en un buen transformador : R c // jx m >> R p + jx p I 0 << I p NOTA: Si se cumplieran tendríamos la misma potencia en el primario y el secundario IDEAL I p I S a I p I S 1 a = N S N p 24

25 TRANSFORMADORES REALES (IX) Modelos equivalentes aproximados. A) Sumar R eq = R 1 +a 2 R 2 y X eq =X d1 +a 2 X d2 I 0 << I 1 I 1 I 2 = I 2 a Podemos sumar R 1 +jx 1 con R 2+jX 2 R 1 X 1d a 2 X 2d a 2 R 2 B) Despreciar las pérdidas de energía en en núcleo: Referido al primario al secundario Referido 25

26 ENSAYOS DEL TRANSFORMADOR. A) Transformador en Vacío Transformador en vacío = segundo arrollamiento abierto (sin carga). Relación de transformación ENSAYOS DEL TRANSFORMADOR (I) nominal : r n = V 1,nom V 2,vacío por espiras : r e = N 1 N 2 (r n r e ) Corriente de vacío o de excitación del transformador = Io = I µ + I Fe ( Io 0!) I Fe = corriente de magnetización = corriente necesaria para producir el flujo en el núcleo del transformador. I µ = corriente de pérdidas en el núcleo = corriente para compensar las pérdidas por histéresis y foucault. Modelo equivalente del transformador en vacío: Modelo equivalente con I 2 =0 en transformadores modernos (Io.R 1 e Io.X S1 ) muy pequeñas (~0.002% a 0.06% de V 1 ) V 1 ~ E 28

27 Transformador en Vacío ENSAYOS DEL TRANSFORMADOR (II) UTILIDAD: Resultados de interés del ensayo de vacío. La relación de transformación - Alimentamos el primario con la tensión nominal V 1n - Medimos V 2,vacío obtenemos r n r e = a =N 1 /N 2 Las pérdidas de energía en el núcleo (hierro) - Medimos la corriente de vacío I 0 y la potencia consumida (P=V 1n I 0 cosφ) - La impedancia de entrada Z 0 =V 1n /I 0 y el desfase φ obtenemos R fe y X μ - Obtenemos las pérdidas de energía en el núcleo: Histéresis P = V 2 1n R fe Foucault P = V 2 1n X µ 29

28 ENSAYOS DEL TRANSFORMADOR (III) B. Transformador en Cortocircuito = secundario cortocircuitado V 2 =0. MODELO EQUIVALENTE UTILIDAD: Medir las pérdidas de energía en las bobinas. - Alimentamos el primario con la intensidad nominal I 1n - Medimos la tensión V1 y la potencia consumida (P=V 1 I 1n cosφ) - La impedancia de entrada Z CC =V 1 /I 1n /φ obtenemos R eq y X eq (Z CC =R eq +jx eq ) - Obtenemos las pérdidas de energía en la bobina: Efecto Joule P = I 2 1n R eq Flujo de dispersión P = I 2 1n X eq 30

29 ENSAYOS DEL TRANSFORMADOR (IV) C. Transformador en Carga Transformador en plena carga : I 1 y V 1 coinciden con valores nominales. En general, para V 1 + una carga Zc I 1= corriente de carga. Se puede descomponer: I 1 = I o + I 2 con I 2=I 2 /a 2 en carga, el flujo tiene CASI el mismo valor que en vacío la tensión aplicada en el primario V 1 impone el valor del flujo sea cual sea la carga (vacío, media o plena) I o = corriente de vacío. Las pérdidas en el hierro (núcleo del transformador) son prácticamente constantes desde el régimen de vacío al de plena carga, puesto que son función de B= φ/a y φ ~ constante. Las pérdidas en el cobre (bobinas del transformador) dependen del régimen de carga, puesto que dependen de la corriente de carga I 1. se pueden calcular con el modelo equivalente del trafo. 31

30 RENDIMIENTO, REGIMEN DE CARGA Y REGULACIÓN DE VOLTAJE (I) RENDIMIENTO, REGIMEN DE CARGA Y REGULACIÓN DE VOLTAJE. A. RENDIMIENTO: = Porcentaje de potencia activa que sale por el secundario respecto a la que entró por el primario (valor tipico 95%) RECORDAR: sale = entra + energía perdida pérdidas de energía en un transformador: E. Perdida en las bobinas (cobre) = P Cu (resistencia + flujo de dispersión) rama en serie en el modelo equivalente E. Perdida en el núcleo (hierro)=p Fe (Histéresis+Foucualt+Corriente magnetizante) rama en paralelo en el modelo equivalente η = P S P p 100% = P S P S + P Fe + P Cu 100% η = V S I S cosϕ S V S I S cosϕ S + P Fe + P Cu 100% RENDIMIENTO DE UN TRANSFORMADOR IDEAL: η = P S P p 100% = V SI S cosϕ S V P I P cosϕ P 100% = P Fe = 0 y P Cu = 0 η =100% V SI S cosϕ av S I η =100% S a cosϕ 32

31 RENDIMIENTO, REGIMEN DE CARGA Y REGULACIÓN DE VOLTAJE (II) B. REGIMEN DE CARGA: = Intensidad que circula por el secundario para una carga dada, dividido por la intensidad nominal del secundario ( máxima que puede circular) C = I S I Rendimiento para un régimen SN de carga C: V η C = S I S cosϕ S V S I S cosϕ S + P Fe (I S ) + P Cu (I S ) 100% = V S I S cosϕ S V S I S cosϕ S + P 100% vacío C + C P CortoCircuito CONCLUSIÓN: Para C=cte Al aumentar el PF (cosφ) disminuye el rendimiento del transformador Para PF=cte El rendimiento es máximo si: P vacío = C 2 P CortoCircuito P Fe = P Cu 33

32 AUTOTRANSFORMADOR. AUTOTRANSFORMADOR (I) Un solo bobinado, con un terminal común y dos independientes. El primario y secundario no están electricamente aislados. El paso de energía prim secun. es por acoplamiento magnético + +conexión eléctrica. VENTAJAS: Más barato y sencillo (usa menos Cu y Fe) Se utiliza para pequeños cambios de Voltaje (N 1 /N 2 cercano a la unidad) Mayor potencia nominal Menos pérdida de energía en el Cu y el Fe mejor rendimiento y caída de tensión. INCONVENIENTES No hay aislamiento primario/secundario. Borne común al lado de AT y BT Menos pérdidas (R y X menores) En caso de fallo por cortocircuito se producen mayores intensidades. 35

33 AUTOTRANSFORMADOR (II) Caso particular: VARIAC El terminal B se mueve con un cursor 0 N 2 N 1 E 2 variable 36

34 TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (I) TRANSFORMADOR TRIFÁSICO. Por qué? La distribución de electricidad mayoritariamente trifásica Trafos trifásicos Se puede obtener transformación trifásica: Conectando tres transformadores monofásicos: circuitos magnéticos son completamente independientes, sin reacción o interferencia alguna entre los flujos respectivos. Transformador trifásico con núcleo común y tres juegos de bobinados (más barato y eficaz). 37

35 TRANSFORMADOR TRIFÁSICO (II) Construcción: Transformador trifásico: Interesa que el núcleo común sea simétrico (idéntico para los tres bobinados). Corriente trifásica equilibrada: 3 flujos iguales desfasados 120º En la columna central: Φ = Φ 1 + Φ 2 + Φ 3 = 0 La columna central no tiene flujo se suprime por simplicidad se hace plano Asimetría Pérdidas del núcleo diferentes para cada transformador individual (cada fase). Efecto despreciable en carga. Simétrico Plano 38

36 TRANSFORMADOR TRIFÁSICO REAL Transformador Trifásico Real. Cada columna equivale a un transformador monofásico válida la teoría ya vista. NOTA: (I,V) utilizadas han de ser magnitudes de fase. RENDIMIENTO (x100%) Potencia trifásica trif P η = S 3V trif = FS I FS cosϕ S P S + P Fe + P Cu 3V FS I FS cosϕ S + P Fe + P Cu ENSAYOS DEL TRANSFORMADOR (y P cu ) a) Ensayo de vacío (Medida de I 0 y P fe( : Al ser asimétrico el núcleo, tenemos diferentes pérdidas del núcleo para cada fase Medirlas por separado a) Ensayo de cortocircuito (Medida de Pcu): Las bobinas son idénticas Las pérdidas del cobre en cada fase son idénticas Medirlo una vez y multiplicarlo x3 39

37 TRANSFORMADOR TRIFÁSICO IDEAL (I) Transformador Trifásico Ideal. Las relaciones entre V e I del primario y secundario dependen del tipo de conexión (estrella Y o triángulo Δ) en el primario y el secundario. +30ºen SD V Por qué? En cada fase se cumple V p /V s = a, pero para conexión Δ L = 3 V F 30º en SI Para magnitudes de línea no se cumple la relación monofásica ni se mantiene el desfase V/I CONEXIÓN Y-Y V LP = V LS = 3 V FP 3 V FS V LP V LS = a Utilizado con V elevadas pues disminuye el aislamiento necesario en las bobinas Problemas si las cargas no están equilibradas Poco empleado. 40

38 TRANSFORMADOR TRIFÁSICO IDEAL (II) CONEXIÓN Y-Δ V LP = 3 V FP V LS = V FS V LP = 3 a V LS Introduce 30º de desfase en el secundario. Utilizado en subestaciones receptoras de trasmisión (transformadores reductores) No se suele usar en sistemas de distribución porque no tiene neutro para que vuelva la corriente. CONEXIÓN Δ-Y V LP = V FP V LS = 3 V FS V LP = a V LS 3 Introduce 30º de desfase en el secundario. Utilizado en sistemas de trasmisión para elevar el voltaje (transformadores elevadores) Util en distribución industrial pues tiene neutro en el secundario dos voltajes posibles (F y L) 41

39 TRANSFORMADOR TRIFÁSICO IDEAL (III) CONEXIÓN Δ-Δ V LP = V FP V LS = V FS V LP V LS = a No introduce desfase en el secundario. No hay problema por cargas desequilibradas y puede circular alta I por las líneas. No se suele usar para alimentar alumbrado monofásico y cargas trifásicas al mismo tiempo. CONEXIÓN Δ abierta Se da cuando se usan 3 trafos monofásicos para hacer transformación trifásica. Sistema con conexión Δ-Δ en el que se elimina uno de los transformadores (ej. por avería) El voltaje en la fase eliminada se mantiene igual al que habría con la fase presente (fase fantasma) Con esta configuación aún podemos tener rendimientos del 57% 42