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• Brayan Ariel Rincon Torres

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DISEÑO DE UN TRANSFORMADOR

INGENIERIA ELECTRICA

SEPTIMO SEMESTRE

PARA: - LAUREN ISAZA

PRESENTADOR POR: -BRAYAN ARIEL RINCON TORRES -KEVIN NAUL RUIZ BUITRAGO

CORPORACION UNIVERSITARIA DEL META (UNIMETA) VILLAVICENCIO-META 2020

RESUMEN

ii

Para llevar a cabo este proyecto se realizó una búsqueda extensiva de información específica sobre el diseño de un transformador, con la finalidad de realizar un manual que brinde a los profesionales y a las empresas una gran ayuda, recomendaciones y análisis de su correcto proceso o diseño, representa fórmulas matemáticas concretas y se detalla el proceso para realizar un transformador mediante las normas y las especificaciones o características, en donde se debe tener en cuenta a la hora de aplicarlas en el diseño del sistema de distribución. El usuario o profesional adquirirá los parámetros requeridos para el diseño del equipo, tanto del núcleo como el resto de sus componentes. PALABRAS CLAVES Transformador, parámetros, sistema de distribución, manual ABSTRACT To carry out this project, an extensive search was carried out for specific information on the design of a transformer, with the aim of creating a manual that provides professionals and companies with great help, recommendations and analysis of their correct process or design. It represents specific mathematical formulas and the process for making a transformer is detailed using the standards and specifications or characteristics, where it must be taken into account when applying them in the design of the distribution system. The user or professional will acquire the parameters required for the design of the equipment, both the core and the rest of its components. KEYWORDS Transformer, parameters, distribution system, manual

Tabla de Contenidos Capítulo 1......................................................................................................................... 1 1.1 Introducción............................................................................................................ 1 1.2 Planteamiento del Problema..................................................................................2 1.3 Descripcion del Problema.......................................................................................2 1.4 Justificación............................................................................................................2 1.5 Objetivos................................................................................................................ 3 1.5.1 Objetivo General.............................................................................................3 1.5.2 Objetivos Especificos......................................................................................4 Capítulo 2 ………………………………………………………………………………..............5 2.1 Estado del Arte.......................................................................................................5 Capitulo 3...................................................................................................................... 15 3.1 Generalidades..................................................................................................15 3.2 ¿Qué es y para que sirve un transformador?............................................15 3.3 Circuito Electrico.......................................................................................15 3.4 Circuito Magnetico....................................................................................15 3.5 Flujo de Dispersion...................................................................................16 Capitulo 4 ..................................................................................................................... 17 4 Marco Teorico....................................................................................................17 4.1 Seccion del Nucleo.....................................................................................17 4.2 Induccion Magnetica...................................................................................19 4.3 Tabla de Densidades..................................................................................20 4.4 Índices de Carga………………………………………………………………....20 4.4.1 Perdidas del Hierro............................................................................21 4.4.2 Perdidas del Cobre............................................................................22 Capítulo 5....................................................................................................................... 23 5 Diseño de Ingenieria...............................................................................................23 5.1 Interior de un Transformador................................................................................23 5.1.1 Instalaciones con supervision con 600V nominales.....................................23 5.2 NEC Codigo 450.4...............................................................................................25 5.3 Transformadores..................................................................................................26 Capítulo 6 ...................................................................................................................... 31 6.1 Especificaciones..................................................................................................31 6.1.1 Caracteristicas Tecnicas...................................................................................31 6.1.2 Caracteristicas de Diseño..................................................................................32 6.1.3 Tipos de Transformadores................................................................................34 6.1.4 Tipos de Conductores.......................................................................................35 6.1.5 Generalidades para la selección de un transformador………………………...…41 Capítulo 7 ...................................................................................................................... 44 7 Memoria de Calculo................................................................................................44 7.1 Potencia del transformador..................................................................................44 7.2 Seccion del Nucleo...............................................................................................44 7.3 Numero de espiras de los devanados ………………………………………… ……45 7.4 Densidad del hierro..............................................................................................47 7.5 Diametro del hilo del arrollamiento secundario.....................................................47 7.6 Numero de espiras de los devanados ………………………………………… ……48

iii

7.7 Indice de carga.....................................................................................................49 7.8 Componentes en vacio.........................................................................................50 7.9 Parametros del circuito equivalente ………………………………………… …….51 7.10 Tension relativa de corto circuito........................................................................52 7.11 Corriente de los dos devanados.........................................................................52 7.12 Eficiencia y rendimiento que se expresa en porcentaje…………………… ……53 7.13 Ejemplo y algunos calculos referentes a un diseño de un transformador...........53 7.13.1 Potencia del transformador....................................................................54 7.13.2 Seccion del Nucleo.................................................................................54 7.13.3 Numero de espiras de los devanados....................................................54 7.13.4 Densidad del hierro................................................................................55 7.13.5 Diametro del hilo del arrollamiento primario...........................................56 7.13.6 Diametro del hilo del arrollamiento secundario.......................................57 7.13.7 Indice de carga.......................................................................................57 7.13.8 Componentes en vacio...........................................................................59 7.13.9 Parametros del circuito equivalente ………………………………...……..60 7.13.10 Tension relativa de corto circuito..........................................................61 7.13.11 Corriente de los dos devanados...........................................................61 7.13.12 Eficiencia y rendimiento que se expresa en porcentaje…………..……62 7.14 Conclusiones......................................................................................................63 7.15Bibliografía..……………………………………………………………………………..63

iv

Capítulo 1 1.1 INTRODUCCION En las últimas décadas, se han producido grandes avances en la distribución de la energía eléctrica, influenciado por las nuevas tecnologías y el desarrollo de diferente herramientas que han ido apareciendo a lo largo de los años. Como consecuencia a los grandes avances que se han venido desarrollando a lo largo de los años es necesario implementar nuevos diseños en los equipos de distribución teniendo una eficiencia aún mayor en el desplazamiento de la energía, con ello se ha logrado la creación de equipos y sistemas más eficaces y controlados. “El transformador es un dispositivo que permite modificar potencia eléctrica de corriente alterna con un determinado valor de tensión y corriente en otra potencia de casi el mismo valor pero, generalmente con distintos valores de tensión y corriente. Es una máquina estática de bajas pérdidas y tiene un uso muy extendido en los sistemas eléctricos de transmisión y distribución de energía eléctrica”. [ CITATION

Jul09 \l 9226 ] Con lo anterior un transformador o llamado a veces generador eléctrico son todos los equipos que son capaces de mantener constantes una diferencia potencial entre un punto a otro, también llamados pollos o terminales, son equipos diseños para convertir la energía mecánica en energía eléctrica donde esta conversión se lleva a cabo mediante un campo magnético encima de los conductores eléctricos que se encuentran sobre el estator, modificando el voltaje o tensión en el circuito eléctrico, La potencia que entra al equipo dando el caso en el que fuera un transformador ideal este presentara un porcentaje de perdidas, teniendo en cuenta el diseño que este transformador tenga.

Este proyecto brinda a las empresas o los universitarios una ayuda para que a la hora de diseñar un transformador sin ninguna dificultad, es decir es un modelo a seguir. Consta de cálculos, características y especificaciones de un transformador; este proyecto está basado en normas existentes y libros de guía. 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ¿En el diseño de un transformador es necesario la implementación de un manual que determine los parámetros a seguir? 1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA Capítulo 1. Artículo 1: A lo largo de los años se han ido presentado cierto tipo de problemas a la hora de realizar el diseño de un sistema de distribución, a la hora de realizar un proyecto de un transformador no se tienen las medidas o información básica para llevar acabo el diseño. Ya que no se tiene en cuenta las normas o recomendaciones para el diseño de estos equipos se pueden presentar errores o fallas en su vida útil, sin presentar un buen rendimiento a la hora de ser ejecutado. No se tiene un apoyo teórico-práctico sobre el diseño de los transformadores existentes en la actualidad, ni se analizan

los parámetros para su respectiva

elaboración. En el momento de realizar los cálculos se debe tener conocimiento de las configuraciones o datos que le determina el equipo a diseñar. 1.4 JUSTIFICACIÓN

A

partir

del

libro

transformador:

calculo

fácil

de

transformadores

y

autotransformadores, monofásicos y trifásicos de baja tensión de Manuel Álvarez Pulido nos indica lo siguiente: “es un manual esencialmente práctico, está dedicado a los transformadores y autotransformadores de baja tensión, tanto monofásicos como trifásicos, y aunque existan en el mercado de la literatura técnica muchos libros que tratan este tema, pocos son los que lo abordan desde el punto de vista práctico eludiendo utilizar fórmulas matemáticas complejas. En este caso se simplifican los cálculos de manera extraordinaria para que los técnicos con poca base matemática puedan calcular correctamente cualquier transformador,”[ CITATION Man09 \l 3082 ] Por esta razón, para el diseño de equipos de distribución es de gran importancia la aplicación de todos los parámetros, ya que esta guía

posee información,

recomendaciones y análisis teorico-practicos del correcto proceso que se debe tener en cuenta para brindar seguridad tanto para los usuarios y equipos. Siendo un sistema muy versátil para estas nuevas empresas, teniendo una adaptación factible. Por ello, una de los motivos para la realización de este proyecto, debido al mal manejo que se le hacen a estos sistemas de distribución en donde pone en peligro su vida útil, es la aplicación de una guía para el correcto diseño del transformador y los respectivos cálculos o análisis al que debe ser sometido. En conclusión, es poder adaptar las capacidades, y conexiones usuales del sistema de distribución; con la finalidad de que funcione como referencia para el usuario que esté trabajando en estos equipos. 1.5 OBJETIVOS

1.5.1 OBJETIVOS GENERAL Implementar un manual que represente los parámetros a seguir para un transformador monofásico. 1.5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Caracterizar las partes técnicas que contiene un transformador Identificar los conductores existentes de un transformador Modelar las características del transformador.

Capítulo 2 2.1 ESTADO DEL ARTE -

En este artículo se propone una metodología para la determinación del desplazamiento angular en transformadores trifásicos. Los autores en [1] presentan

una

metodología

para

determinar

las

conexiones

de

los

transformadores, sin embargo, no es posible observar de forma directa el desplazamiento angular entre las tensiones del primario y del secundario, tampoco presentan algún paso que permita distinguir la conexión de acuerdo con la polaridad del transformador. Usualmente, los ingenieros, para saber las conexiones que tienen que hacer, buscan en algún sitio tablas que les sirven de guía. [ CITATION Nic16 \l 9226 ]

-

Los transformadores trifásicos más habituales suelen ser de tres columnas. El núcleo magnético de esto es transformadores tiene tres columnas de igual sección e igual a la de los yugos. Sobre cada columna se bobina (Uno sobre el otro con una capa de aislamiento intermedia) los devanados (primario y secundario) de una de las fases. Las tres fases del primario se conecta entre sí en estrellas, en triangulo o mediante una conexión especial denominada zig-zag que se estudiara más adelante. Análogamente sucede con las tres fases del secundario. [ CITATION Mig08 \l 9226 ]

-

Se presenta el diseño eléctrico de un transformador especial para variador de 24 pulsos de 300 kVA 13 800/480 V 60Hz sumergido en aceite dieléctrico mineral con la característica especial de poseer cuatro devanados en el secundario con separación de 15° entre fases. Se justifica el uso de este tipo de transformadores como una solución para disminuir el contenido de armónicos en la red, se indica la afectación de los armónicos generando problemas en el sistema de aislamiento de los transformadores, además se enumera las aplicaciones industriales. Se explica su funcionamiento, normas aplicables y pruebas eléctricas con las cuales se garantiza su correcto funcionamiento. Se indica los materiales usados y sus características para la construcción del transformador, así como la forma de dimensionarlos, se muestra criterios y constantes tomados en base a experiencia o fundamentada en la bibliografía, indica cómo se realiza el cálculo de espiras para obtener el ángulo deseado en conexión delta zig-zag, la disposición y geometría de la bobina, además de todos los cálculos eléctricos comunes a esta. Por último se simula el transformador diseñado mediante Simulink de Matlab, pudiendo observar mediante formas de onda el ángulo de 15° entre fases. [ CITATION And16 \l

9226 ]

-

La crisis energética actual debida al aumento de la demanda, a su dependencia de los combustibles fósiles, ya la desregulación de la industria, conduce a extremar el uso de cuanta fuente de energía está disponible. La tendencia

original de oponerse a la incorporación de generación distribuida al sistema eléctrico, se ha visto revertida, fomentando su interconexión mediante incentivos económicos. La interconexión de nuevas fuentes de energía al sistema eléctrico tradicional trae aparejada una serie de ventajas técnicas y económicas. Estas fuentes de energía de tamaños variados desde unos pocos kW hasta los 10 MW, con tensiones de nivel su distribución y distribución y aún con frecuencias dispares, se tratan de conectar a la red eléctrica en su punto más próximo, requiriendo de interfaces eléctricas-electrónicas. Al tratarse de generaciones de baja potencia, su rendimiento no alcanza a los valores logrados en las grandes centrales eléctricas, de allí la importancia de localizarlas cerca de las cargas, para así compensar su bajo rendimiento con la reducción en pérdidas de transporte. En caso de tratarse de equipos de cogeneración, que aprovechan la generación conjunta de vapor y electricidad, el generador eléctrico se encontrará dentro de la planta industrial, por lo a disposición de la empresa eléctrica para su uso en condiciones acordadas en forma contractual. Por ello, los sistemas tradicionales de distribución de energía eléctrica están cambiando sus características, en lo que respecta a estructura, criterios de operación y metodologías de protección [1]. Este cambio no se está produciendo en forma coordinada entre los sectores involucrados, debido a sus diferencias conceptuales tanto su conexión al sistema es posible a nivel de su distribución, y en unos pocos casos a nivel distribución. [ CITATION JCG09 \l 9226 ]

-

Cuando en el año 1984 aparecieron las instrucciones técnicas complementarias al reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de seguridad en centrales eléctricas, subestaciones y centro de transformación, los técnicos e instaladores se encontraron, en lo que a conexión a tierra de las instalaciones, los técnicos e instaladores se en contraron, en lo que a conexión a tierra de las instalaciones se refiere, con unas exigencias totalmente distintas de las contempladas en reglamentos anteriores, con la agravante de que no existía en todo el país, ningún método de cálculo ajustado a las nuevas condiciones talles métodos evidentemente no eran fáciles de establecer, como corrobora el hecho de que tardara algunos años en aparecer los primero.

En estas circunstancias, no ya los técnicos dedicados a l ejercicio libre de la profesión, sino que al parecer, los propias empresas eléctricas, se encontraban sin los adecuados instrumentos para resolver el problema que se habían planteado con la aparición del nuevo en virtud de ello, se siguió aplicando el reglamento del año 1949, que exigía tomas de tierra separadas, con una resistencia máxima de difusión de 20 ohmios. [ CITATION Jul91 \l 9226 ]

-

Los transformadores desempeñan un papel muy importante en la transportación, suministro y distribución de la energía eléctrica. Estos son dispositivos estáticos, con un ciclo de vida alto, pero que necesitan la atención adecuada y un buen uso y aprovechamiento de sus potenciales. Debido a que constituyen un elemento clave dentro del sistema electro-energético resulta necesario su buen

funcionamiento para garantizar la calidad del suministro eléctrico. En el trabajo se realizó un estudio de las principales formas de conexión de los transformadores

trifásicos,

abordando

tanto,

banco

de

transformadores

monofásicos en conexiones trifásicos como, una unidad de transformador trifásico y se analizaron las ventajas y desventajas de cada una de las conexiones tratadas. Además, se realizó un estudio de como los transformadores trifásicos introducen armónicos al sistema, sobre todo, los armónicos más perjudiciales para los diferentes componentes de los circuitos y se expuso la posibilidad de eliminar estos armónicos utilizando transformadores en paralelo. Finalmente, se simularon cada una de las conexiones bajo diferentes tipos descargas empleando el lenguaje de programación MatLab y su simulador Simulink, dentro del cual se utilizó el paquete de funciones especiales: Power System Blockset. [

CITATION Jav13 \l 9226 ]

-

La Empresa ENELBAR tiene entre sus objetivos principales prestar apoyo técnico a las Instituciones del estado con el fin de garantizar su desarrollo tecnológico. En el siguiente trabajo se presentan dos estudios del Sistema de Puesta a Tierra (SPT) realizados en el Hospital Central Antonio María Pineda por la empresa. Uno consiste en la evaluación del SPT actual del área de instalación de los equipos de Rayos X, Tomografía y Transformadores existentes, mediante el uso del Telurómetro y la aplicación del método del 62 %, que permite determinar con gran exactitud la resistencia del SPT, para verificar

que dicho valor se encuentre dentro de los niveles normalizados. El otro estudio consiste en determinar la resistividad (ρ) del suelo del área donde se ubicará el equipo de Resonancia Magnética, mediante el uso del Telurómetro y la aplicación del método Wenner. Ambos estudios se realizan con la finalidad de formular recomendaciones para el diseño de un SPT, que garantice la seguridad del personal médico, el correcto funcionamiento de las protecciones y el acoplamiento magnético. [ CITATION Leo09 \l 9226 ]

-

Uno de los problemas más graves que afronta el Sector Eléctrico Colombiano, es el alto índice de fallas de transformadores de distribución, que para el caso de la región central del país, servida por la Empresa de Energía Eléctrica de Bogotá -EEB-, significó cerca de 983 millones de pesos en el año 1987. De los análisis de fallas realizadas por la EEB, se desprende que un alto porcentaje de las mismas pueden deberse a Descargas Eléctricas Atmosféricas. El presente artículo tiene por objeto analizar este tipo de fallas y explicar mediante el concepto de los llamados "Lazos Inductivos" -que tienen su aplicación en los estudios de protección contra rayos directos en pararrayos tipo Franklin-; lo que unido a la alta resistividad del terreno, los drásticos cambios de Impedancia en el sitio de Instalación del pararrayos, las variaciones rápidas de la corriente asociadas a los rayos negativos y las tensiones Inducidas por descargas Indirectas, producen sobretensiones hasta ahora no consideradas y de magnitudes insospechadas en los transformadores de distribución. Como conclusión a este trabajo se plantea un cambio en la filosofía de Instalación de

los transformadores de distribución, lo que respaldado por un estudio profundo de los modelos propuestos, puede conducir a una modificación de las normas nacionales de instalación del conjunto transformador-pararrayos, con la consecuente reducción de los costos por quema de los mismos, en cifras anuales que pueden ser del orden de 5 millones de dólares en todo el territorio colombiano. [ CITATION Uni \l 9226 ]

-

La detección de las fallas a tierra de alta impedancia en los sistemas de distribución de MT es uno de los problemas más difíciles y cada vez más frecuentes. En nuestro medio, los esquemas de protección generalmente se han desarrollado principalmente en base a relés de sobrecorriente calibrados por encima de los valores nominales del alimentador, por lo tanto, es imposible discriminar una falla a tierra si esta tiene valores de corriente muy por debajo de sus valores normales de carga como resultado de una alta resistencia de contacto del conductor eléctrico con el terreno. Es importante indicar que generalmente en nuestro medio (en la ciudad de Lima) el tipo de puesta a tierra del neutro del sistema de distribución de 10 kV no es determinante para mejorar la detección de estas fallas ya que la resistencia de contacto del conductor caído con el terreno es muy alta. [ CITATION Car98 \l 9226 ]

-

La crisis energética actual debida a los fuertes problemas económicos, sociales, a la volatilidad del precio de las fuentes energéticas primarias y al aumento en la

demanda de electricidad, ha impulsado mundialmente al desarrollo de nuevas infraestructuras y a la implementación de estrategias basadas en modelos de generación descentralizada [1]. Existen dos grandes alternativas para la generación de energía eléctrica: los generadores convencionales que producen grandes cantidades de energía de forma centralizada, que transportan a través de largas líneas de transmisión y la generación de baja escala ubicada cerca de los consumos, denominada generación distribuida o GD. La generación distribuida es un concepto que cuenta con múltiples definiciones y ha sido definido por varios organismos e instituciones tanto a nivel local como global. El Insitute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) la define como “Instalaciones de generación eléctrica conectadas al sistema eléctrico mediante un punto de conexión común: Un subconjunto de fuentes distribuidas” y a nivel local, el grupo SILICIE compuesto por grupos de investigación de la Universidad de los Andes, Universidad Nacional sede Bogotá, Universidad Javeriana y Universidad Industrial de Santander, la definen como: “Es la generación conectada a un Sistema de Distribución Local (red radial), que no tiene acceso directo a la red de transmisión, y no es despachada centralmente y cumple con los requerimientos de conexión” [2]–[4]. [ CITATION Die16 \l 9226 ]

-

El presente informe se ha dividido en cuatro capítulos cuyo contenido se describe brevemente en los párrafos siguientes. Adicionalmente, al final se han incluido anexos con información complementaria al tema de estudio. En el primer capítulo de este documento se abordará el marco teórico de los sistemas

de puesta a tierra proporcionando conceptos y datos importantes para la comprensión y estudio de dichos sistemas y su aplicación en la seguridad industrial. En el segundo capítulo se mostrará un extracto de varias normas internacionales, considerando los artículos que son aplicables al correcto diseño e implementación de una puesta a tierra. Para efectos de analizar un sistema de puesta a tierra mediante un caso práctico se escogieron las instalaciones de la planta Fleischmann ubicada en la ciudad de Duran, Provincia del Guayas. La revisión de las instalaciones, los cálculos pertinentes y las mediciones realizadas estarán abarcadas en el capítulo tres. 6 Finalmente en el capítulo cuatro se llevará a cabo un análisis de riesgos aplicado al caso práctico estudiado, incluyendo las prevenciones necesarias prestando atención especial a los sistemas de puesta a tierra y luego haciendo un análisis comparativo con la aplicación de dichas prevenciones. [ CITATION Jor10 \l 9226 ] -

En este trabajo de titulación se evidencia lo estudiado en la carrera de Ingeniería Eléctrico mecánica, pues se ha puesto en práctica las enseñanzas recibidas como es el cálculo de la carga, el sistema de puesta a tierra y el uso correcto de transformadores; que servirán siempre en nuestra vida profesional. Para un estudio correcto se ha dividido este trabajo en introducción, cinco capítulos, conclusión y recomendaciones. En la introducción se menciona la importancia que ha tomado la electrónica médica en los tiempos actuales; y el óptimo desempeño depende en gran medida de la correcta instalación de la energía eléctrica. En el capítulo I se detalla cuál es el problema que se va a solucionar, se definen los objetivos del estudio, su justificación e importancia. En el capítulo

II se detallan los antecedentes del estudio, el cual surge de la necesidad de brindar resultados de calidad a los pacientes del Centro VIDASSAN, que acuden a realizar exámenes de tomografía computarizada. En este capítulo se estudian las características técnicas del tomógrafo computarizado marca Toshiba modelo ASTEION 4; los componentes de su sistema; así como, los beneficios de en cuanto a rendimiento y facilidades para estudios médicos más detallados. En el capítulo III se detalla la teoría técnica con la cual se desarrolló esta tesis, las condiciones, los parámetros. En el capítulo IV se define la metodología de investigación, la normativa técnica, y los requerimientos técnicos que rigen este estudio, los cuales deben cumplirse para el correcto desempeño del equipo médico. En el capítulo V se describe todo el estudio, los cálculos de carga y se define el tipo de sistema a utilizar, así como los materiales del sistema puesta a tierra. Finalmente se detallan las conclusiones, recomendaciones y bibliografía, las cuales serán una guía para futuros estudiantes. [ CITATION Chr19 \l 9226 ]

Capítulo 3 3.1 GENERALIDADES 3.1.1 ¿QUÉ ES Y PARA QUÉ SIRVE UN TRANSFORMADOR? Un transformador es un equipo o maquina eléctrica y su principal característica es aumentar o disminuir una tensión eléctrica, y puede aislar dos circuitos eléctricos. Usualmente en los transformadores se utiliza de forma que disminuya su tensión en donde las personas no tendrán tanto riesgo a la hora de manipular los circuitos. También se le denomina como un equipo estático y como todo transformador el devanado primario es el que recibe la energía para que el devanado secundario sea la salida de energía a utilizar. Las pérdidas del cobre y del hierro producen los efectos llamados caídas de tensión.1 3.1.2 CIRCUITO ELÉCTRICO Está constituida por el devanado primario y devanado secundario. Devanado primario:

1

Parafraseado del libro transformadores [ CITATION Man09 \l 3082 ]

Es una bobina de hilos de cobre o aluminio esmaltado la cual es arrollada en un carrete en la chapa magnética. El primario va conectado a la red sin importar que sea un transformador elevador o reductor. Devanado secundario: Está compuesto por una bobina de hilo esmaltado de cobre o aluminio arrollado en el núcleo magnético. 2 3.1.3 CIRCUITO MAGNÉTICO Se constituye por la chapa magnética y a esta forma se le denomina núcleo magnético, se puede adaptar de diferentes formas eso depende del tipo de transformador.3 3.1.4 FLUJO DE DISPERSIÓN Al circular la corriente por el arrollamiento primario se crea una fuerza que se cierra por el núcleo y así formar el flujo magnético, se le denomina la unión de todas las líneas de fuerzas, algunas de estas líneas se dispersan por el aire y a esto se le nombra como perdidas. Es normal que para el conductor no se crea más calor de la que se pueda disipar, la intensidad está limitada hasta un tope.4

2

Parafraseado del libro transformadores c. eléctrico [ CITATION Man09 \l 3082 ] 3

Parafraseado del libro transformadores c. magnético [ CITATION Man09 \l 3082 ] 4

Parafraseado del libro transformadores flujo principal [ CITATION Man09 \l 3082 ]

Capítulo 4 MARCO TEORICO 4.1 SECCION DEL NUCLEO La siguiente informacion corresponde a las partes del transformador por la cual se debe tener encuenta a la hora de realizarse el diseño un sistema de distribucion (transformador). En la siguiente información se muestra el método a usar para hacer el bobinado del transformador cuando se conocen los voltajes del devanado primario y secundario: “Datos del transformador: A = 4 cm y B = 5 cm (ver imagen)



Fórmula: Área = A X B = 4 cm x 5 cm = 20 cm².



Constante: (K) = 37.54



Fórmula: Espiras x voltios = K / Área (Espira significa una vuelta en el carretón.)



Área = Sección del núcleo = SN

Si queremos hacer un transformador de 120V a 18V, usamos la fórmula: “Número de espiras totales para cada bobinado = (número de espiras por voltios) x (voltios deseados)” Así, para el primario y el secundario se obtienen.



1.877 x 120v = 225.24 espiras en el embobinado primario



1.877 x 18v = 33.78 espiras en el embobinado secundario” Ahora se pasa a hallar la potencia máxima que nos suministrara el transformador: “Fórmula para la potencia máxima: (Área)². Siendo el Área = 20cm², entonces la potencia máxima es: (20²) = 400 Watts o Vatios

Por la ley de potencia : I = W /V (corriente = potencia / voltaje), tenemos que:



IP (Corrientes en el primario) = 400/120 = 3.33 Amperes.  Se escoge un cable: AWG # 18 (calibre del cable)



IS (corriente en el secundario) = 400/18 = 22.2 Amperes.  Se escoge un cable: AWG 10 (calibre del cable)” Ahora se pasara a hallar el número de pies de alambre en los bobinados del transformador que va a trabajar:

1.

Se elige cual bobina va primero en el carrete, si es el primario o el secundario.

2.

Se mide una espira en el carrete en centímetros.

3.

Se dividen los centímetros de la espira obtenida anteriormente por un pie, el cual equivale a 30.34 cm y el resultado será una constante la cual da pies por espira.

4.

La constante se multiplica por el número de espiras del embobinado que vaya primero y al resultado se le aumenta un 15 %, porque irá creciendo y así se obtiene los pies de la primera bobina.

5.

La constante se multiplica por el número de espiras del embobinado que vaya segundo y al resultado se le aumenta un 30%, porque irá creciendo y así se obtiene los pies de la segunda bobina. ((Un pie = 30.48 cm))

Fórmula: Una espira en centímetros/30.48 = Constante

Así, si tenemos que una espira en el primario nos da 15.5 centímetros tenemos: K= 15.5/30.48 = 0.5085

Siguiendo con los datos anteriores tenemos que:



Devanado primario: 0.5085 X 33.78 vueltas = 17.1806 + 15% = 19.7577 pies (#10 AWG)



Devanado secundario: 0.5085 X 225.24 vueltas = 114.54 + 30% =148 pies (#18 AWG)” [CITATION Ele16 \p 1 \l 9226 ]

Al obtener estos datos de la sección del núcleo y conocer las vueltas en los devanados primarios y secundario se tendrá conocer el valor de la inducción magnética a usar en el transformador. 4.2 INDUCCION MAGNETICA Este concepto fue encontrado en un documento sustraído por estudiantes de la Universidad politécnica de Madrid (UPM): “La inducción magnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan campos eléctricos. Al generarse un campo eléctrico en un material

conductor, los portadores de carga se verán sometidos a una fuerza y se inducirá una corriente eléctrica en el conductor.

En donde Φm es el flujo del campo magnético. Por tanto, para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida debe variar el flujo del campo magnético a través de la superficie delimitada por el conductor. De la definición de flujo:

La ley de Lenz significa que la corriente inducida en un circuito tendrá un sentido tal que el campo magnético generado por dicha corriente compense la variación del flujo que la ha causado. [CITATION Ter1 \p 2 \l 9226 ]” 4.3 TABLA DE DENSIDADES La siguiente tabla es necesaria para identificar las densidades de los materias que podrian usarse el diseño de un transformador:

[ CITATION And \l 9226 ]

4.4 INDICE DE CARGA Se sabe que los transformadores son maquinas muy eficientes pero se sabe que tambien que existen unas pequeñas perdidas en ellas, asi que en la siguiente informacion nos indicara el concepto y ecuaciones a usar: “Un transformador puede trabajar a plena carga, es decir, conectado a sus valores nominales; o puede trabajar a un valor inferior. Así pues llamamos índice de carga a la relación entre la intensidad de trabajo y su valor nominal.

Si elevamos al cuadrado esta igualdad tendremos:

Y la expresión de las pérdidas en el cobre será:

Despues de conocer indice de carga se dispondra a hallar las perdidas del hierro.

4.4.1 Pérdidas en el hierro: Estas pérdidas dependen del flujo magnético y como ya se vio, el flujo solo varía con la tensión y ésta suele ser constante. Quiere esto decir que las pérdidas en el hierro son constantes ya sea en vacío o en carga nominal. La corriente en vacío suele obtenerse del ensayo de vacío, en el que se cuantifica la potencia absorbida y la tensión aplicada. El transformador se conecta sin ninguna carga en el secundario (en vacio). Pues bien, si tenemos en cuenta que de la potencia aplicada al primario (potencia total) una parte se perderá en el hierro y otra en el cobre, el resto será la potencia aplicada en el secundario (potencia útil):

Teniendo hallados ya el indice de carga y la perdidas del hierro se tendra que hallar las perdidas en el cobre. 4.4.2 Pérdidas en el cobre: Los fabricantes de transformadores suelen proporcionar el dato de la potencia activa que tiene el transformador cuando se realiza el ensayo de cortocircuito. En el ensayo de cortocircuito se conecta el transformador a tensión nominal, cortocircuitando el secundario. Se mide en este ensayo la potencia consumida en el transformador en estas condiciones Pcc. A esta potencia se le denomina pérdidas en el cobre a máxima potencia, porque es la consumida por los arrollamientos cuando circula la intensidad nominal.

[CITATION Edu \p 1 \l 9226 ]”

Capítulo 5 DISEÑO DE INGENIERÍA 5.1 INTERIOR DE UN TRANSFORMADOR A continuación se muestran los elementos que componen un transformador: “Al ser transformadores de mucha potencia, las bobinas y el núcleo van recubiertas de un líquido refrigerante para que no se calienten en exceso, por ese motivo los trafos trifásicos van metidos en una carcasa herméticamente cerrada. Luego veremos lo tipos de refrigerantes que se utilizan.

Como el trafo está montado en lo que llamamos un banco de chapas magnéticas, a este tipo de transformadores se les suele llamar "Banco Trifásico". Podríamos decir que un transformador trifásico está constituido por tres transformadores

monofásicos

montados

en

un

núcleo

magnético

común.

[CITATION Tec1 \p 1 \l 3082 ] 5.1.1 Instalaciones con supervisión con 600V nominales Instalaciones con supervisión: Cuando las condiciones de mantenimiento y supervisión

aseguren

que

las

instalaciones

de

transformadores

sólo

son

supervisadas y atendidas por personas calificadas, se permite instalar dispositivos de protección contra sobre corriente como se establece en el siguiente apartado a: a. Primario. Todos los transformadores de más de 600 V nominales deben ir protegidos por un dispositivo individual de protección contra sobre corriente en el lado del primario. Cuando se utilicen fusibles, su capacidad continua de corriente no debe superar el 250 % de la corriente nominal del primario del transformador. Cuando se utilicen interruptores automáticos o fusibles actuados electrónicamente, se deben programar a no más del 300 % de la corriente nominal del primario del transformador. Excepciones: 1) Cuando la corriente nominal requerida de un fusible o ajuste de un interruptor automático no corresponda con los valores estándares, se permite aplicar el valor inmediatamente superior.

2) No es necesario un dispositivo individual de sobrecorriente cuando el dispositivo de protección del primario ofrezca la protección especificada en esta Sección. 3) Lo que establece el siguiente apartado b. Primario y secundario: Cuando un transformador de más de 600 V nominales tenga un dispositivo de protección contra sobrecorriente en el lado del secundario de valor nominal o ajustado para que se abra a valores no superiores a los de la Tabla 450-3.a).2).b) o equipado con un dispositivo mixto de protección térmica y contra sobrecargas instalado por el fabricante, no se requiere que tenga un dispositivo de protección contra sobrecorriente conectado al primario, siempre que el dispositivo de sobrecorriente del alimentador al primario tenga una corriente nominal o esté gustado para que se abra a valores no mayores a los dados por la Tabla 4503.a).2).b).

[CITATION Nor \p 367 \l 3082 ]” 5.2 NEC CODIGO 450.4 A continuación se encontrara una información sacada de la NEC (código eléctrico nacional), que dice: “Calcular la protección de sobre corriente en la primaria Según NEC 450.4, “cada uno transformador 600 voltios, nominal, o menos deben estar protegidos por un dispositivo de sobre corriente individual instalado en serie con cada conductor de entrada sin conexión a tierra ". Protección de transformadores - Resumen de NEC (Código Eléctrico Nacional) Dicho dispositivo de sobre intensidad debe tener una clasificación o ajuste de no más de 125% de la corriente nominal de entrada a plena carga del transformador automático. Además, de acuerdo con la Tabla 450.3 (B) de NEC, si la corriente primaria del transformador es inferior a 9 amperios, un dispositivo de sobre corriente clasificado o configurado a no más de 167% Se permitirá de la corriente primaria. Donde el corriente primario es inferior a 2 amperios, un dispositivo de sobre corriente clasificado o configurado a no más de 300% será permitido. Ahora se conocerá como calcular la protección de sobre corriente en el secundario según la NEC Código 450.3B NEC, Código 450.3B Calcular la protección de sobre corriente en el secundario De acuerdo con la Tabla 450.3 (B) de NEC, donde la corriente secundaria de un transformador es de 9 amperios o más y 125% De esta corriente no corresponde

a una norma. Calificación de un fusible o disyuntor, se requerirá la siguiente calificación estándar más alta. Cuando la corriente secundaria es inferior a 9 amperios, un dispositivo de sobre corriente clasificado o configurado en no más de 167% de la corriente secundaria se permitirá. [CITATION NEC \p 1 \l 3082 ] 5.3 TRANSFORMADORES Esta información referente a los transformadores fue consultado en el Reglamento eléctrico de instalaciones eléctricas (RETIE): “Para efectos del presente reglamento, los transformadores eléctricos de capacidad mayor o igual a 3 kVA, nuevos, reparados o reconstruidos, deben cumplir con los siguientes requisitos, adaptados de las normas IEC 60076-1, ANSI C57 12, NTC 3609, NTC 1490, NTC 1656, NTC 3607, NTC 3997, NTC 4907, NTC 1954 o NTC 618. Requisitos de producto -Los transformadores deben tener un dispositivo de puesta a tierra para conectar sólidamente el tanque, el gabinete, el neutro y el núcleo, acorde con los requerimientos de las normas técnicas que les apliquen y las características que requiera su operación. -Todos los transformadores sumergidos en líquido refrigerante que tengan cambiador o conmutador de derivación de operación exterior sin tensión, deben tener un aviso: “manióbrese sin tensión”. -Todos los transformadores sumergidos en líquido refrigerante deben tener un dispositivo de alivio de sobrepresión automático, fácilmente reemplazable, el cual debe operar a una presión inferior a la máxima soportada por el tanque.

-Los transformadores de distribución, deben poseer un dispositivo para levantarlos o izarlos, el cual debe ser diseñado para proveer un factor de seguridad mínimo de cinco para transformadores en refrigerados en aceite y de tres para transformadores secos. El esfuerzo de trabajo es el máximo desarrollado en los dispositivos del levantamiento por la carga estática del transformador completamente ensamblado. -Los dispositivos de soporte para colgar en poste, deben ser diseñados para proveer un factor de seguridad de cinco, cuando el transformador es soportado en un plano vertical desde el dispositivo superior. -El nivel máximo de ruido (presión de ruido LPA) no debe superar los niveles establecidos en las normas técnicas de producto aplicables. -El productor debe entregar al usuario las indicaciones y recomendaciones mínimas de montaje y mantenimiento del transformador. -Rotulado. Todo transformador debe estar provisto de una placa fabricada en material resistente a la corrosión y fijada en un lugar visible que contenga los siguientes datos en forma indeleble. -Marca o razón social del productor o proveedor. -Número de serie dado por el productor. -Año de fabricación. -Clase de transformador. -Número de fases. -Frecuencia nominal. -Potencias nominales, de acuerdo al tipo de refrigeración. -Tensiones nominales, número de derivaciones.

-Corrientes nominales. -Impedancia de cortocircuito. -Peso total en kilogramos. -Grupo de conexión. -Diagrama de conexiones. La siguiente información adicional, debe estar disponible para el usuario (catálogo): -Corriente de cortocircuito simétrica. -Duración del cortocircuito simétrico máximo permisible. -Métodos de refrigeración. -Clase de aislamiento. -Líquido aislante. -Volumen del líquido aislante. -Nivel básico de asilamiento de cada devanado, BIL. -Valores máximos de ruido permisibles en transformadores y su forma de medición. -Pérdidas de energía totales a condiciones nominales. Requisitos de Instalación Cuando el transformador no sea de tipo sumergible y se aloje en cámaras subterráneas sujetas a inundación, éstas deben ser debidamente impermeabilizadas para evitar humedad y en lo posible debe separarse de la cámara de maniobras. Cuando la cámara subterránea no sea impermeable se debe instalar transformador y caja de maniobras tipo sumergible. Los transformadores refrigerados en aceite no deben ser instalados en niveles o pisos que estén por encima o contiguos a sitios de habitación, oficinas y en general

lugares destinados a ocupación permanente de personas, que puedan ser objeto de incendio o daño por el derrame del aceite. Los transformadores con más de 2000 galones de aceite deben instalarse mínimo a 9 m de las paredes de la subestación, si no se cumple esa condición deben colocarse paredes resistentes al fuego conforme a la norma NFPA 255. Si el volumen de aceite está entre 500 y 2000 galones, la distancia se puede reducir a 7 m y si no se puede cumplir tal distancia se debe colocar la pared resistente al fuego mínimo de dos horas. Cuando un transformador aislado en aceite requiera instalación en bóveda (conforme a la sección 450 de la norma NTC 2050), la bóveda debe asegurar que a temperaturas por encima de 150 ºC no permita la entrada de aire para apagar el incendio por ausencia de oxígeno. La bóveda debe cumplir los requisitos señalados en el numeral 20.4.1 del presente Anexo Los transformadores y barrajes del secundario, cuando se usen en instalaciones de uso final, deben instalarse de acuerdo con lo establecido en la sección 450 de la NTC 2050. Todo transformador con tensión nominal superior a 1000 V debe protegerse por lo menos en el primario con protecciones de sobre corriente, cuando se usen fusibles estos deben ser certificados y seleccionados de acuerdo con una adecuada coordinación de protecciones. El nivel de ruido en la parte externa del encerramiento no debe superar lo valores establecidos en las disposiciones ambientales sobre la materia, de acuerdo con la exposición a las personas. [CITATION RET08 \p 89 \l 3082 ]

Capítulo 6 6.1 ESPECIFICACIONES 6.1.1 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Según la empresa Enel Codensa nos brinda estas especificaciones de los transformadores de potencia: “Los transformadores serán del tipo sumergidos e aceite, con devanados de corte, refrigerados por circulación natural del aceite y en forma forzada por aire: adecuados para operación exterior y a la altura sobre el nivel del mar.

Los transformadores estarán dotados de cambiador de derivaciones apto para operación bajo carga (CDBC). EN cualquier caso, el transformador deberá ser apto para entregar la potencia requería para las distintas etapas de refrigeración con el cambiador de derivaciones en cualquier posición. El trasformador deberá ser capaz de suministrar la potencia requería en cada etapa de refrigeración, sin sobrepasar los siguientes límites de elevación de temperatura sobre el cambien, del aceite y de los devanados: Estos valores serán 50°C de aumento de temperatura del aceite superior, y 60°C de elevación que presente límites de temperatura superiores a los acá establecidos. Adicionalmente a la potencia que deberán suministrar en cada etapa de refrigeración, deberán ser capaces de entregar potencia de sobrecargar, sin pérdida de vida útil, la cual será determinada según lo establecido en las normas IEC-60354. Los valores de impedancia del transformador serán referidos a la temperatura de 75°C (IEC 60076), y a la potencia de base. Los valores de pérdidas serán referidos a la misma temperatura que los valores de la impedancia, según corresponda. Las distancias mínimas entre las partes energizadas y tierra, como también las separaciones entre fases, deberán cumplir con las recomendaciones de la norma IEC-60071 “coordinador de aislamiento”. En todo c aso, estas distancias mínimas entre las partes energizadas no deberán ser menor a las especificadas para los sistemas eléctricos, debidos a que es el estándar utilizado por el cliente. Después de saber ya las características técnicas, se conocerán las características de diseño de un transformador

6.1.2 CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO Codensa generaliza como hacer el diseño de un transformador: Generalidades Los transformados serán diseñados y fabricados de acuerdo con los últimos desarrollos en el campo de aplicaciones correspondiente y deberán responder a los requerimientos de estas especificaciones. Todos los componentes y accesorios deben ser diseñados para soportar sobrecargas de hasta 1,5 veces la potencia nominal del transformador, en la mayor etapa de ventilación, y en el menor tal de tensión. Deberá considerarse en el diseño que la corriente de cortocircuito simétrica estará limitada solo por las impedancias internas del transformador, y la corriente de cortocircuito simétrica estará limitada solo por las impedancias internas del transformador, y la corriente de cortocircuito asimétrica debe ser por lo menos 2.5 veces la corriente de cortocircuito simétrica. Los transformadores deberán ser diseñados de modo que sean aptos para operar

en paralelo con otros transformadores de características similares. Los

fabricantes deberán informar el método para limitar la corriente de cortocircuito en el terciario compensando en delta. El fabricante deberá informar acerca de la inclusión de resistencias no lineales u otro accesorio propio de su diseño, que influya en el comportamiento del transformador, por lo cual debe ser antecedentes conocidos por el cliente. Todos

los

materiales,

componentes

y

equipos

incorporados

a

los

transformadores deben ser nuevos y de la mejor calidad, para asegurar que el

equipo cumpla con los requisitos de funcionamiento continuo durante todo el periodo de vida. El cliente se reserva el derecho de realizar inspecciones programadas e imprevistas durante el proceso de fabricación para verificar la calidad y características de los materiales empleados, los métodos de fabricación y solicitar los certificados de calidad de los aceros magnéticos, los conductores, papeles, aceites, etc. El transformador debe resistir el efecto térmico y mecánico de la corriente de cortocircuito simétrica. Del mismo modo, deberá ser capaz de resistir todo el esfuerzo proveniente del transporte y montaje. El transformador completamente armado, deberá cumplir los requerimientos especificados frente a acción sísmica. El núcleo debe ser acero al silicio, laminado en frio, de grano orientado de acuerdo con la publicación ASTM A 876. Los extremos de las bobinas de alta tensión deben tener una protección especial para soportar el esfuerzo dieléctricos a variaciones de corriente o tensión.

[CITATION Cod \p 4 \l 9226 ]” Teniendo en cuenta estas características de diseño, ahora se deben conocer los tipos de transformadores. 6.1.3 TIPOS DE TRANSFORMADORES Esta información fue sustraída por una base de datos que se encuentra en internet y dice que: “Existen distintos tipos de transformadores según la aplicación que se le dé. A continuación detallaremos cada uno de ellos. Transformador elevador/reductor de tensión

Son utilizadas por las empresas generadoras de electricidad para transportar a altas tensiones y que las casas puedan recibir a bajas tensiones. Transformadores variables Para una entrada de tensión fija, se puede variar la tensión de salida Transformador de aislamiento Contiene un aislamiento galvánico, y se utilizan para proteger equipos que están conectados directamente a la red. Transformador de alimentación Puede tener una o más bobinas secundarias. Incorporan un fusible térmico que permite proteger los equipos de sobrecargas. Transformador de pulsos Transformador que trabaja en un régimen de pulsos. Tiene una rápida velocidad de respuesta. Se utiliza para transferir impulsos a elementos de control.

Transformador diferencial de variación lineal Es un transformador utilizado para medir desplazamientos que son lineales. Son utilizados en los servomecanismos para dar una retroalimentación de la posición. Transformador con diodo dividido Compuesto por diodos repartidos por todo el bobinado conectado en serie que permiten proporcionar una tensión continua. Transformador de impedancia

Es el transformador encargado de adaptar antenas y líneas de transmisión. Son encargados de disminuir o aumentar la impedancia. Estabilizador de tensión Este funciona normalmente mientras la tensión no supere un valor nominal. En caso de que la tensión supere este valor, el núcleo se satura sin dejar pasar el exceso de tensión. Protege a los equipos de sobrecargas. [3] [CITATION Jos1 \p 2 \l

9226 ]” Al conocer los tipos de transformadores se deben conocer los tipos de conductores que poseen los sistemas de distribución mencionados anteriormente. 6.1.4 TIPOS DE CONDUCTORES Se encontró una información en la web la cual nos indica el tipo de conductores y cableados que se deben usar en un transformador según el Reglamento técnico de instalaciones eléctricas (RETIE): “Para la selección del conductor se debe tener en cuenta 2 normas importantes que es la NTC 2050 (Norma Técnica Colombiana 2050) sección 310 en donde menciona los requisitos generales de los conductores y de sus denominaciones de tipos, aislamiento, rótulos, etiquetas, resistencia mecánica, capacidad de corriente nominal y usos. Y el RETIE (Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas) Artículo 6, punto 6.3, el cual nos menciona el código de colores a tener en cuenta. Conductores para Instalaciones Interiores La Sección 310 de la NTC 2050 establece requisitos generales de los conductores y sus denominaciones de tipos, aislamiento, rótulos, etiquetas, resistencia mecánica,

capacidad de corriente nominal y usos. Si no se especifica otra cosa, los conductores son de cobre. El calibre mínimo para utilizar debe ser 14 AWG en cobre. Cuando van instalados en canalizaciones, los conductores de calibre 8 AWG y mayores deben ser del tipo cableados, es decir, no se aceptan conductor sólido o alambre.

Tabla. Conductores para Instalaciones Interiores. Tomada de http://www.centelsa.com.co/archivos/d241a0a2.pdf Cables de Acometida La Sección 338 de la NTC 2050 establece requisitos generales de los Cables de Acometida, los cuales están conformados por un conjunto de uno o varios conductores con o sin cubierta interior; pueden ser del tipo SER, SEU o USE. El calibre mínimo de los cables de acometida de cobre no debe ser inferior a 8 AWG.

Tabla. Conductores de Acometida. Tomada de http://www.centelsa.com.co/archivos/d241a0a2.pdf Cables para Media Tensión La Sección 326 establece requisitos generales para los Cables de Media Tensión (MV Medium Voltage) que es un cable monopolar o multiconductor con aislamiento dieléctrico sólido para uso en más de 2000 V.

Tabla. Conductores para Media Tensión. Tomada de http://www.centelsa.com.co/archivos/d241a0a2.pdf

Los calibres mínimos se establecen para los diferentes niveles de tensión, así: [4]

[CITATION CAB04 \p 3 \l 9226 ]” Esta documentación también sustraída por el reglamento técnico de instalaciones eléctricas (RETIE): Los mencionados anteriormente son los

conductores eléctricos que

aparecen contenidos en la NTC 2050, y que son los de mayor utilización en las instalaciones internas y la conexión con la red de la empresa suministradora del servicio de energía eléctrica.

Además del calibre se debe de tener en cuenta el código de colores según el RETIE en el Artículo 6, punto 6.3. Con el objeto de evitar accidentes por errónea interpretación del nivel de tensión y tipo de sistema utilizado, se debe cumplir el código de colores para conductores aislados de potencia, establecido en las Tablas 6.5 y 6.6 del RETIE, según corresponda. Se tomará como válido para determinar este requisito el color propio del acabado exterior del conductor o una marcación clara en las partes visibles, con pintura, con cinta o rótulos adhesivos del color respectivo. Este requisito igualmente aplica a conductores desnudos, que actúen como barrajes en instalaciones interiores y no para los conductores utilizados en instalaciones a la intemperie diferentes a la acometida.

Tabla. Código de colores para conductores c.a. Tomada de la tabla 6.5 v https://www.minenergia.gov.co/documents/10192/23965915/310118_borrador_proy_ RETIE_productos.pdf/09a5f5d0-58a8-44ef-a591-64386de276d2

Tabla. Código de colores para conductores c.c. Tomada de la tabla 6.6 v https://www.minenergia.gov.co/documents/10192/23965915/310118_borrador_proy_ RETIE_productos.pdf/09a5f5d0-58a8-44ef-a591-64386de276d2

En sistemas con tensión superior a 380 V, adicional a los colores, debe fijarse en los tableros y en puntos accesibles de conductores, una leyenda con el aviso del nivel de tensión respectivo. En circuitos monofásicos derivados de sistemas trifásicos, el conductor de la fase debe ser marcado de color asignado a la fase en el sistema trifásico donde se derive. Igual tratamiento debe darse a sistemas monofásicos derivados de 2 fases. Si la acometida es monofásica derivada de sistema trifásico, una fase también podrá identificarse con negro. En todos los casos el neutro debe ser de color blanco o marcado con blanco en todas las partes visibles y la tierra de protección color verde o marcada con franja verde. No se debe utilizar el blanco ni el verde para las fases. Los tableros procedentes del exterior para uso en Colombia, también deben marcarse según los colores establecidos en el RETIE.

En sistemas de medida, el cableado de los transformadores tanto de potencial como de corriente, la conexión debe respetar el color de la fase asociada. [5] [CITATION ENE13 \p 89 \l 9226 ]” Fusibles (Criterios de selección) Esta información fue sustraída por la empresa EPM la cual nos proporcionaba la normal técnica los fusibles para protección de ramales y transformadores de distribución a instalar: “Como regla general, los siguientes factores deben ser considerados para la selección del fusible del lado primario de un transformador. · Tensión Nominal. · Capacidad de interrupción. · Capacidad de sobrecarga. · So portabilidad a corriente Inrush (Magnetización y Cold Load). · Protección contra fallas en el secundario del transformador. · Coordinación con fusibles de respaldo. Fusibles normalizados. Los

fusibles

normalizados

como

medio

de

protección

para

los

transformadores monofásicos y trifásicos a montar en poste deberán ser del Tipo K.

La información suministrada anterior fue con el fin de conocer los tipos de conductores y fusible que existen Como componentes de un transformador, Ahora se conocerán las generalidades que se deben tener en cuenta a la hora de realizar la selección de un sistema de distribución. [6] [CITATION EPM \p 2 \l 9226 ]” 6.1.5 GENERALIDADES PARA LA SELECCIÓN DE UN TRANSFORMADOR Generalidades Esta información fue proporcionada el documento emitido por la empresa CODENSA el cual habla de las especificaciones técnicas transformadores de potencia y este nos dice: “Los transformados serán diseñados y fabricados de acuerdo con los últimos desarrollos en el campo de aplicaciones correspondiente y deberán responder a los requerimientos de estas especificaciones. Todos los componentes y accesorios deben ser diseñados para soportar sobrecargas de hasta 1,5 veces la potencia nominal del transformador, en la mayor etapa de ventilación, y en el menor tal de tensión.

Deberá considerarse en el diseño que la corriente de cortocircuito simétrica estará limitada solo por las impedancias internas del transformador, y la corriente de cortocircuito simétrica estará limitada solo por las impedancias internas del transformador, y la corriente de cortocircuito asimétrica debe ser por lo menos 2.5 veces la corriente de cortocircuito simétrica. Los transformadores deberán ser diseñados de modo que sean aptos para operar

en paralelo con otros transformadores de características similares. Los

fabricantes deberán informar el método para limitar la corriente de cortocircuito en el terciario compensando en delta. El fabricante deberá informar acerca de la inclusión de resistencias no lineales u otro accesorio propio de su diseño, que influya en el comportamiento del transformador, por lo cual debe ser antecedentes conocidos por el cliente. Todos

los

materiales,

componentes

y

equipos

incorporados

a

los

transformadores deben ser nuevos y de la mejor calidad, para asegurar que el equipo cumpla con los requisitos de funcionamiento continuo durante todo el periodo de vida. El cliente se reserva el derecho de realizar inspecciones programadas e imprevistas durante el proceso de fabricación para verificar la calidad y características de los materiales empleados, los métodos de fabricación y solicitar los certificados de calidad de los aceros magnéticos, los conductores, papeles, aceites, etc.

El transformador debe resistir el efecto térmico y mecánico de la corriente de cortocircuito simétrica. Del mismo modo, deberá ser capaz de resistir todo el

esfuerzo proveniente del transporte y montaje. El transformador completamente armado, deberá cumplir los requerimientos especificados frente a acción sísmica. El núcleo debe ser acero al silicio, laminado en frio, de grano orientado de acuerdo con la publicación ASTM A 876. Los extremos de las bobinas de alta tensión deben tener una protección especial para soportar el esfuerzo dieléctricos a variaciones de corriente o tensión. [1] [ CITATION Cod \l 9226 ]”

Capítulo 7 MEMORIA DE CÁLCULO Para poder calcular un transformador monofásico se debe tener en cuenta algunos valores; las tensiones en los dos arrollamientos, la corriente que proporciona en devanado secundario y la frecuencia en el que será conectada

7.1 Potencia del transformador Para poder calcularla es necesario la tensión y la intensidad del arrollamiento secundario; para hallar la potencia aparente siempre se debe tener presente que el devanado secundario sin importar que sea el de alta o de baja tensión

S = V2 * I2

S=V*A

S= Potencia aparente V2= voltaje secundario I2= Intensidad secundaria

Al conectar una carga al arrollamiento secundario, su tensión disminuye con respeto al voltaje en vacío de alimentar la carga la tensión disminuye debido a la caída de tensión (los carga aumenta hasta llegar a la corriente nominal del transformador) 7.2 Sección del núcleo

A partir de lo anterior se puede hallar la sección del núcleo. En la siguiente tabla se podrá obtener la sección del núcleo en función de la potencia aparente que proporciona el arrollamiento secundario. En esta tabla se podrá identificar la sección pero a una frecuencia de 50 Hz.

[CITATION Pul09 \p 32 \l 9226 ] Otro método para hallar la sección del núcleo es: Sn = K * √ P Donde: K=1, esta constante siempre será para el peor de los casos del hierro P = S = potencia aparente 7.3 Numero de espiras de los dos devanados

Se tendrá en cuenta la tabla anterior en donde me indica el número de espiras por voltio

(

E ¿al establecer el número de espiras será un dato que se puede utilizar en los dos B

devanados en donde se multiplicara por el voltaje secundario del transformador.

E x V 2=N 2( N ¿ de espiras del devaado secundario) V Donde: V2= Voltaje secundario N2= # de espiras del devanado secundario Otra forma para determinar el número de espiras por voltio sin la tabla anterior, es:

N1 V 1 x 108 = Vrms 4,44 x B x Sn x F Donde: V1 = Al voltaje en el primario B = Inducción magnética

[CITATION Maq17 \p 2 \l 9226 ] Otro método a usar seria:

N=

E 4,44 x x F x Ømax

Donde: E1= Es el voltaje primario F= Frecuencia Ø= Flujo máximo 7.4 Densidad del hierro Con la siguiente se podrá determinar cuál será densidad a usar teniendo en cuenta el material que se utilizara:

[CITATION Uni12 \p 1 \l 9226 ]

7.5 Diametro del hilo del arrollamiento secundario

El diametro se determina por la intensidad o la corriente secundaria que circulara por el hilo, para que la corriente pase por este se debe tener en cuenta la siguiente tabla para que no exista un sobre calentamiento del material conductor:

[CITATION Pul09 \p 35 \l 9226 ] 7.6 Diámetro del hilo del arrollamiento primario Se debe hallar la corriente primaria con lo siguiente:

N 1 B1 I 1 = = N 2 B2 I 2 Al despejar la intensidad primaria con respecto al número de espiras es:

I 1=

I 2∗N 2 N1

Para hallar la intensidad primaria con respecto a las tensiones:

I 1=

I 2∗V 2 V1

Al obtener este dato se podrá identificar el diámetro con respecto a su intensidad en la tabla anterior.

7.7 Índice de carga Para poder hallar el índice de carga, el transformador debe estar a plena carga identificando la intensidad máxima y su intensidad nominal por ellos se deben hallar algunos valores anteriores para encontrar el valor del índice de carga. A) Hallar la intensidad nominal en cada uno de los devanados

¿ 1=

S S ∈2= V1 V2 B) Hallar las pérdidas del cobre (Pcu) , cabe recordar que Pcu = Pcc (Perdidas de corto circuito) en donde se puede decir que la potencia consumida del transformador en condiciones de corto circuito Pcu = R *

¿ 22 C) Hallar la resistencia del corto circuito (Rcc1) y la intensidad máxima (I1max) del devanado primario. Rcc1 =

Pcu I 1 n2

Donde: Pfe= Perdidas del hierro Pcu= Perdidas del cobre Rcc= Resistencia de corto circuito

I 1 max ¿

√

Pfe Rcc 1

D) Hallar la resistencia del corto circuito (Rcc2) y la intensidad máxima (I2max) del devanado secundario. Rcc2 =

Pcu I 2 n2

I 2 max ¿

√

Pfe Rcc 2

Donde: Pfe= Perdidas del hierro Pcu= Perdidas del cobre Rcc= Resistencia de corto circuito De acuerdo a lo anterior se halla el índice de carga (C) de cada uno de los devanados

C 1=

I 1 max I 2 max x 100 C 2= x 100 7.8 Componentes en vacío I 1n I 2n

Se le aplica una tensión nominal en el primario y el secundario no se conecta a ninguna carga por ende se denomina ensayo en vacío Po = Pfe

Perdidas en vacío = Perdidas en el hierro

Hallar la intensidad primario; esta intensidad debe ser menor que la intensidad nominal, es un valor pequeño.

I 1=

Po Vo

Donde: I1= Intensidad primaria Vo= Voltaje en vacío Po= Potencia en vacío o perdidas en vacío

Hallar la corriente magnetizante, para ello se utiliza la siguiente formula.

Imag=√ Io2−I 12 Dónde: Imag= Intensidad del campo magnético Io= Intensidad en vacío I1= Intensidad primaria

Hallar la resistencia y reactancia en vacío, con respecto al voltaje nominal del arrollamiento secundario (Vn2):

Ro=

Vn 2 Vn2 Xo= Imag I1

7.9 Parámetros del circuito equivalente A través de los valores en vacío se determina la resistencia del hierro (Rfe) y reactancia (Xm): Rama paralelo Po = Vo * Io * Cos Ø - Hallar el Angulo para poder determinar anchos parámetros

CosØ =

Po Po → Ø=cos−1 Vo x Io Vo x Io

Donde: Po= Potencia en vacío Vo= Voltaje en vacío Io= Corriente en vacío

Hallar la corriente del hierro

-

Ife=Io x cos ∅ Con lo anterior se puede hallar uno de los parámetros

Rfe=

Vo Ife Hallar la reactancia (Xm)

-

Primero se averigua la Im para poder determinar la reactancia

ℑ=Io x Sen ∅ Xm=

Vn 2 ℑ

7.10 Tensión relativa de corto-circuito La tensión relativa al ser pequeña hace que la caída de tensión disminuya

Ecc=

Vcc x 100 Vn1

Donde: Vcc= Voltaje de corto circuito Vn1= Voltaje nominal del arrollamiento primario Ecc= Tensión relativa de corto-circuito Debe ser pequeña para que su caída de tensión disminuya, manteniendo un equilibrio con las corrientes de falla: S ≤ 1000 KVA: 1% ≤ Ecc ≤ 6% S > 1000 KVA: 6% ≤ Ecc ≤ 13% 7.11 Corriente de los dos devanados

Se tienen dos fórmulas, la cual se unen para poder hallar la potencia activa dado que se la asigne un factor de potencia (Fp)

S=

P P Fp=cos ∅S= → P=S∗Fp cos ∅ Fp

Dónde: P= Potencia activa S= Potencia aparente Fp= Factor de potencia Para hallar la corriente de los dos devanados se deben unir las dos siguientes formulas:

I=

S P P → S= →I= V Fp V x Fp

I 1=

P P I 2= V 1 x Fp V 2 x Fp

7.12 Eficiencia y rendimiento que se expresan en porcentaje - En la eficiencia del transformador determina su valor económico, es decir costo de operación las máquinas de mayor potencia son las eficientes

Para hallar la eficiencia se debe tener el valor de las pérdidas totales

Perdidas totales=Po+ Pcc Donde: Po= Perdidas en vacío

Pcc= Perdidas en corto-circuito

N=

(KVA )(Fp) x 100 [ ( KVA )( Fp ) ] + Perdidas totales

-

El rendimiento es un dato que depende de la potencia activa y de las perdidas.

N=1−

Pfe + Pcc x 100 P

7.13 Ejemplo y algunos cálculos referentes a un diseño de un transformador En los ejercicios se evidenciara algunos valores que se determinan a través de todos los datos comerciales de los transformadores. S= 20KVA

V1=3200V

V2=220V

Io=2A

Po=1600VA

Prueba en vacío: Vo=220V

Prueba en corto-circuito: Vcc=115V

Icc= 3A

Pcc=234VA

7.13.1 Potencia del transformador A partir de lo anterior se pasara a hallar la corriente del arrollamiento secundario, ya que la potencia aparente fue asignada:

S = V2 * I2  I 2=

( 20 KVA ) S → I 2= =90,9 A V2 (220 V )

S= Potencia aparente V2= voltaje secundario I2= Intensidad secundaria 7.13.2 Sección del núcleo Aquí se hallara la sección del núcleo: Sn = K * √ P→ Sn=( 1 ) x √ 20 KVA =141,42cm2 Donde: K=1, esta constante siempre será para el peor de los casos del hierro P = S = potencia aparente 7.13.3 Numero de espiras de los dos devanados Aquí se hallar el número de espiras por voltio: La inducción magnética es utilizada ya que es para un valor mayor a 4000W

N1 V 1 x 108 N1 3200 V x 108 = → = =707,82 Numero de espiras en el arro Vrms 4,44 x B x Sn x F Vrms ( 4,44 ) (12000 g)(141,42 cm2)(60 Hz)

N2 V 2 x 108 N2 220 V x 108 = → = =48,66 Numero de espiras en el arroll Vrms 4,44 x B x Sn x F Vrms ( 4,44 ) (12000 g)(141,42 cm 2)(60 Hz) Donde: V1 = Al voltaje en el primario B = Inducción magnética El número de vueltas a hallar es el que se utilizara en cada uno de los devanados:

N 1=

E1 3200 V → N 1= =1201,2Vueltas en el arrollamiento primario 4,44 x x F x Ømax ( 4,44)(60 Hz)(10 mwb)

N 2=

E2 220 V → N 2= =82,58 Vueltasen elarrollamiento secundario 4,44 x x F x Ømax ( 4,44)(60 Hz)(10 mwb)

Donde: E1= Es el voltaje primario F= Frecuencia Ø= Flujo máximo 7.13.4 Densidad del hierro Con la siguiente se podrá determinar cuál será densidad a usar teniendo en cuenta el material que se utilizara:

[CITATION Uni12 \p 1 \l 9226 ]

7.13.5 Diametro del hilo del arrollamiento secundario

El diametro se determina por la intensidad o la corriente secundaria que circulara por el hilo, la intensidad secundaria es 90,9A, según la tabla el diametro aproximado es de 7,5

[CITATION Pul09 \p 35 \l 9226 ] 7.13.6 Diámetro del hilo del arrollamiento primario Se debe hallar la corriente primaria con lo siguiente:

N 1 B1 I 1 = = N 2 B2 I 2 Para hallar la intensidad primaria con respecto a las tensiones:

I 1=

(90,9 A )( 220V ) =6,24 A 3200 V

Según la tabla el diámetro aproximado es de 1,6 7.13.7 Índice de carga

Para poder hallar el índice de carga, el transformador debe estar a plena carga identificando la intensidad máxima y su intensidad nominal por ellos se deben hallar algunos valores anterios para encontrar el valor del índice de carga. A) Hallar la intensidad nominal en cada uno de los devanados: Las intensidades nominales ya fueron halladas anteriormente B) Hallar las pérdidas del cobre (Pcu) , las pérdidas de corto-circuito son: 234W sabiendo que Pcc = Pcu Por ende la potencia del cobre es de 234W C) Hallar la resistencia del corto circuito (Rcc1) y la intensidad máxima (I1max) del devanado primario. Rcc1 =

Pcu 234 W → Rcc 1= =6 Ω 2 2 I 1n (6,24 A)

Las pérdidas del hierro son iguales a las perdidas en vacío, Po = Pfe = 160W

I 1 max ¿

√

Pfe 160 W  I 1 max ¿ =5,16 A Rcc 1 6Ω

√

Donde: Pfe= Perdidas del hierro Pcu= Perdidas del cobre Rcc= Resistencia de corto circuito D) Hallar la resistencia del corto circuito (Rcc2) y la intensidad máxima (I2max) del devanado secundario. Rcc2 =

I 2 max ¿

Pcu 234 → Rcc 2= =28,31mΩ 2 2 I 2n (90,9 A)

√

Pfe 160 W → I 2 max ¿ =75,17 A Rcc 2 28,31 mΩ

√

Donde: Pfe= Perdidas del hierro Pcu= Perdidas del cobre Rcc= Resistencia de corto circuito De acuerdo a lo anterior se halla el índice de carga (C) de cada uno de los devanados

C 1= C 2=

I 1 max 5,16 A x 100 →C 1= x 100=82,69 % I 1n 6,24 A

I 2max 75,17 A x 100 →C 2= x 100=82,69 %7.13.8 Componentes en vacío I 2n 90,9 A

Se le aplica una tensión nominal en el primario y el secundario no se conecta a ninguna carga por ende se denomina ensayo en vacío Po = Pfe

Perdidas en vacío = Perdidas en el hierro

Hallar la intensidad primario; esta intensidad debe ser menor que la intensidad nominal, es un valor pequeño.

I 1=

Po 160 W → I 1= =0,72 A Vo 220V

Donde: I1= Intensidad primaria Vo= Voltaje en vacío Po= Potencia en vacío o perdidas en vacío

Hallar la corriente magnetizante, para ello se utiliza la siguiente formula. Imag=√ Io2−I 12 → (2)2−(0,72)2=1,86 Imag

√

Dónde: Imag= Intensidad del campo magnético Io= Intensidad en vacío I1= Intensidad primaria

Hallar la resistencia y reactancia en vacío, con respecto al voltaje nominal del arrollamiento secundario (Vn2):

Ro=

Vn 2 220V → Ro= =118,27 Ω Imag 1,86 Img

Xo=

Vn 2 220 V → Xo= =305,55 Ω I1 0,72 A

7.13.9 Parámetros del circuito equivalente A través de los valores en vacío se determina la resistencia del hierro (Rfe) y reactancia (Xm): Rama paralelo Po = Vo * Io * Cos Ø - Hallar el Angulo para poder determinar anchos parámetros

CosØ =

Po Po 160 W → Ø=cos−1 → Ø=cos−1 =68,67° Vo x Io Vo x Io (220 V )(2 A )

Donde: Po= Potencia en vacío Vo= Voltaje en vacío

Io= Corriente en vacío

Hallar la corriente del hierro

-

Ife=Io x cos ∅ → Ife=( 2 A ) x cos ( 68,67 )=0,72 A Con lo anterior se puede hallar uno de los parámetros

Rfe=

Vo 220 → Rfe= =305,55 Ω Ife 0,72 A Hallar la reactancia (Xm)

-

Primero se averigua la Im para poder determinar la reactancia

ℑ=Io x Sen ∅ → ℑ=( 2 A ) x Sen ( 68,67 )=1,86 A (220) Vn2 Xm= ℑ → Xm= =118,27 Ω 1,86 A 7.13.10 Tensión relativa de corto-circuito La tensión relativa al ser pequeña hace que la caída de tensión disminuya

Ecc=

Vcc 115 V x 100→ Ecc= x 100=3,59 % Vn1 3200 V

Donde: Vcc= Voltaje de corto circuito Vn1= Voltaje nominal del arrollamiento primario Ecc= Tensión relativa de corto-circuito Debe ser pequeña para que su caída de tensión disminuya, manteniendo un equilibrio con las corrientes de falla. S ≤ 1000 KVA: 1% ≤ Ecc ≤ 6%

20KVA ≤1000KVA: 1% ≤ 3,59% ≤ 6% Si corresponde, ya que la potencia aparente comprende este límite 7.13.11 Corriente de los dos devanados Se tienen dos fórmulas, la cual se unen para poder hallar la potencia activa dado que se la asigne un factor de potencia (Fp = 0,9)

S=

P P Fp=cos ∅S= → P=S∗Fp→ P=( 20 KVA ) ( 0,9 )=18000 W cos ∅ Fp

Dónde: P= Potencia activa S= Potencia aparente Fp= Factor de potencia Para hallar la corriente de los dos devanados se deben unir las dos siguientes formulas:

I=

S P P → S= →I= V Fp V x Fp

I 1=

P 18000 W P 18000 W → I 1= =6,25 A I 2= → I 2= =90,9 A V 1 x Fp V 2 x Fp (3200 V )(0.9) (220 V )(0.9)

Las intensidades halladas son iguales a las corrientes nominales del transformador monofásico 7.13.12 Eficiencia y rendimiento que se expresan en porcentaje Para hallar la eficiencia se debe tener el valor de las pérdidas totales

Perdidas totales=Po+ Pcc Pérdidas totales = 160W + 234W = 394W Donde:

Po= Perdidas en vacío Pcc= Perdidas en corto-circuito

N=

(KVA )(Fp) (20 KVA )(0,9) x 100  N= x 100=97,85 % [ ( KVA )( Fp ) ] + Perdidas totales [ ( 20 KVA )( 0,9 ) ] +394 W

-

El rendimiento es un dato que depende de la potencia activa y de las perdidas.

N=1−

Pfe + Pcc 160W +234 W x 100 → N =1− =97,81 % P 18000 W

7.14 CONCLUSIONES -

Se puede concluir que este trabajo se ha realizado para aquellos usuarios que no tiene presente los parámetros y normas a la hora de realizar el diseño de un transformador, lo cual es muy importante tener en cuenta a la de hacer algún sistemas de distribución.

-

Al tener en cuenta esta guía o parámetros para llevar acabo el diseño del transformador se podrá determinar a futuro que gastos o beneficio me generara el sistema de distribución evitando las pérdidas y maximizando las ganancias.

-

Al realizar el diseño del transformador de forma correcta y con los parámetros debidos se podrá evidenciar su rendimiento en la vida útil del equipo y al llevar a cabo los debidos mantenimientos al sistema no se encontraran mucho desgaste en él.

-

Por medio de los cálculos se puede llegar a determinar si el transformador es eficiente o de buen rendimiento a plena carga, para las empresas o usuarios será de gran utilidad porque indica el costo de operación.

-

Se puede concluir que este documento abarca diferentes parámetros de un transformador monofásico pero resalta diferentes métodos en los cálculos a realizar para su diseño.

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