• Author / Uploaded
• Pinche HeroHN

Citation preview

1

Rendimiento del Transformador Monofasico (dependiendo del tipo de carga) El conocimiento del rendimiento de cualquier máquina, dispositivo o sistema tiene una gran importancia por el valor económico que ello reporta, tanto desde el punto de vista del costo de operación como del ambiental. En general el rendimiento de una máquina, normalmente indicado con la letra griega eta η, está dado por el cociente de las potencias de salida y de entrada. Los transformadores también se comparan y valoran de acuerdo con su eficiencia. La eficiencia o rendimiento de un artefacto se puede conocer por medio de la siguiente ecuación: n = PSAL / PENT * 100 % n= PSAL / ( PSAL + PPÉRDIDA ) * 100 % Esta ecuación se aplica a motores y generadores, así como a transformadores. Los circuitos equivalentes del transformador facilitan mucho los cálculos de la eficiencia.

Hay tres tipos de pérdidas que se representan en los transformadores: (I 2 ∙ R)



Pérdidas en el cobre.

 

circuito equivalente. Pérdidas por histéresis. Estas perdidas las causa el resistor RN Pérdidas por corrientes parásitas. Estas perdidas tambien son causadas por el resistor

estas perdidas las causan las resistencias en serie y el

RN

Figura 1.1 Modelo de transformador a su nivel de voltaje primario

2

Figura 1.2 Perdidas por Histeresis

Figura 1.3 Nucleo laminado para evitar corrientes de

Eddy

Para calcular la eficiencia de un transformador bajo carga dada, sólo se suman las pérdidas de cada resistencia y se aplica la ecuación: n = PSAL / ( PSAL + PPÉRDIDA ) * 100 % Puesto que la potencia es PSAL = VS * IS cos θ , la eficiencia puede expresarse por: η=

(VS ∙ IS cos θ) ∗100 (PCU + PNÚCLEO+VSIScos θ)

En el caso particular de los transformadores se está en presencia de una máquina de características

excepcionales:

su

rendimiento

es

muy

elevado

y

requieren

muy

bajo mantenimiento; todo ello debido a su condición de máquina estática. En las máquinas eléctricas, como en otros casos también, ocurre que las de mayor potencia son las más eficientes. Esto se puede demostrar analizando cómo varían las pérdidas y cómo lo hace la potencia de la máquina. En efecto tanto las pérdidas en el hierro Fe como las del cobre Cu dependen, a igualdad de condiciones de diseño y materiales, de los respectivos volúmenes de hierro Fe y cobre Cu, es decir del cubo de las dimensiones lineales. Aquí también a igualdad de condiciones de diseño y de materiales, la fuerza electromotriz inducida depende de la sección del núcleo y la corriente de la sección del conductor; por lo tanto la potencia aparente es función de las dimensiones lineales a la cuarta potencia.

3

Entonces a medida que aumentan las dimensiones de la máquina, crece más rápidamente su potencia que sus pérdidas y por lo tanto mejora su rendimiento. Lamentablemente no todo es tan sencillo y en las máquinas de gran potencia aparecen otros factores que complican su funcionamiento, por ejemplo la forma de evacuar el calor que producen las pérdidas para mantener la temperatura de operación dentro de los límites admitidos por los materiales aislantes. Eficiencia diaria de los transformadores: Dependiendo de la aplicación de los transformadores, con frecuencia se usan para operar las 24 horas por día, aún cuando la carga no sea continúa en el período total de operación. En estas condiciones un transformador tiene dos conceptos de eficiencia, una global para condición de plena carga y otro para distintas cargas al día, es decir, la llamada eficiencia diaria. Esta eficiencia diaria se expresa como la relación de la energía de salida a la energía de entrada durante el período de 24 horas.

Regulacion del Transformador Monofasico ( dependiendo del tipo de carga) La regulación de un transformador se define como la diferencia entre los voltajes secundarios en vacío y a plena carga, medidos en terminales, expresada esta diferencia como un porcentaje del voltaje a plena carga. Para el cálculo del voltaje en vacío se debe tomar en consideración el factor de potencia de la carga. La carga de los transformadores de potencia varián constantemente, ocurriendo la mayor variación en los periodos de mayor actividad industrial y comercial, esto provoca que el voltaje en los secundarios de los transformadores varien de acuerdo con la carga y el factor de potencia, dependiendo si esta en atraso, en adelanto o si es la unidad. Ya que todos los equipos eléctricos, electrónicos, motores, lámparas son muy sensibles a los cambios de tensión que pudiesen causarles daños es muy importante tener una buena regulación de voltaje, por lo que es muy importante conocer las características de los elementos constructivos de transformadores y líneas de transmisión, además de su comportamiento ante carga capacitiva, inductivas o resistiva.

4

El Coeficiente de Regulación de Voltaje o la Regulación de Voltaje (RV) es una cantidad que compara el voltaje de salida sin carga (en Vacío) con el voltaje de salida a plena carga y se define por la ecuación.

VS: Voltaje de Salida de una línea de transmisión o Voltaje Secundario de un transformador A nivel de suministro de tensión se desea tener una regulación de voltaje tan pequeña como sea posible. Para un transformador ideal, RV = 0%, lo cual nos indica que sus devanados no presentan una resistencia y no requiere de potencia reactiva para su funcionamiento. Sin embargo, los transformadores reales tienen cierta resistencia en los devanados y requieren de una potencia reactiva para producir su campo magnéticos, es decir, posee dentro de las impedancias en serie, entonces su voltaje de salida varia de acuerdo con la carga aun cuando el voltaje de entrada y la frecuencia permanezcan constante. La variación de la tensión en el secundario depende esencialmente de dos variables, de la corriente absorbida por la carga y de su factor de potencia. Para obtener la regulación de tensión en un transformador se requiere entender las caídas de tensión que se producen en su interior. Consideremos el circuito equivalente del transformador simplificado: los efectos de la rama de excitación en la regulación de tensión del transformador pueden ignorarse, por tanto, solamente las impedancias en serie deben tomarse en cuenta. La regulación de tensión de un transformador depende tanto de la magnitud de estas impedancias como del ángulo fase de la corriente que circula por el transformador.

5

La forma más fácil de determinar el efecto de la impedancia y de los ángulos de fase de la intensidad circulante en la regulación de voltaje del transformador es analizar el diagrama fasorial, un esquema de las tensiones e intensidades fasoriales del transformador. En la figura 1, se observa el circuito equivalente del transformador simplificado donde se ignoran los efectos de la rama de excitación y se considera solo las impedancias en serie.

Figura 1.4. MODELO APROXIMADO DEL TRANSFORMADOR, REFERIDO AL SECUNDARIO Un diagrama fasorial es la representación visual de una ecuación, estos se pueden usar para observar los ángulos de fases normales en la regulación de un transformador. La figura 1.5, muestra un diagrama fasorial de un transformador que opera con un factor de potencia en retraso se observa que Vp/a > Vs para carga en retraso, es decir, una impedancia predominantemente inductiva, por lo que la regulación de voltaje deberá ser mayor que cero.

Figura 1.5: DIAGRAMA FASORIAL DEL TRANSFORMADOR, FACTOR DE POTENCIA EN ATRASO En la figura 1.6, se muestra un diagrama fasorial con factor de potencia igual a la unidad y el voltaje en el secundario es menor comparado con el voltaje primario referido, por lo que la regulación de voltaje es mayor que cero, pero menor de lo que era para una corriente en atraso.

6

Figura 1.6. DIAGRAMA FASORIAL DEL TRANSFORMADOR, FACTOR DE POTENCIA UNIDAD Si la corriente secundaria esta en adelanto, el voltaje secundario puede en realidad ser mayor que el voltaje primario referido, en este caso, la impedancia es predominantemente capacitiva y el transformador tendrá una regulación negativa.

Figura 1.7. DIAGRAMA FASORIAL DEL TRANSFORMADOR, FACTOR DE POTENCIA EN ADELANTO Para transformadores de potencia superiores a 5KVA, los valores de las correspondientes de caídas de tensión son Para carga puramente inductiva Vs = 0,96 Vp/a Para carga puramente óhmica Vs = 0,98 Vp/a Para carga puramente capacitiva Vs = 1,02 Vp/a

7

Para factor de potencia capacitivo la tensión en carga puede ser mayor que la tensión en vacío. Este fenómeno se conoce como efecto Ferranti y puede producirse en todos los casos que las líneas eléctricas tienen conectadas cargas capacitivas. Las cargas inductivas son desexcitantes puesto que provocan caídas de tensión, mientras que las cargas capacitivas son excitantes, ya que provocan un aumento de tensión. Prueba de polaridad a transformadores monofásicos La prueba de polaridad a transformadores monofásicos se realizapara verificar si los transformadores tienen polaridad aditiva o sustractiva.

Figura 1.8 Prueba de polaridad a transformadores monofásicos Esta prueba es necesaria, cuando se conectan transformadores en paralelo. Dos reglas son importantes para evitar cortos circuitos, que pueden hacer explotar a estos transformadores. 1ª.- Ambos transformadores deben tener valores de voltajes idénticos en sus bobinados primarios, esta característica de valores voltajes iguales también se debe cumplir en los bobinados secundarios, estos deben alimentar a las cargas con la misma tensión.

8

2ª.- los 2 transformadores deben tener polaridad idéntica, ser los dos sustractivos o los dos ser aditivos.

Figura 1.9 Conexión de transformadores monofásicos en paralelo con polaridades diferentes Una de las pruebas para verificar la polaridad consiste en conectar el transformador como autotransformador. 1.- unir el bobinado primario con el secundario. 2.- Alimentar el bobinado primario con voltaje alterno de bajo valor de bajo. 3.- Medir con un voltímetro el valor de voltaje que existe en cada bobinado y en la conexión en serie. Esta prueba nos indica que terminales tienen la misma polaridad a un mismo tiempo en el lado primario y en el lado secundario.

9

Figura 1.10 Prueba para determinar polaridad con resultado de polaridad sustractiva Esta prueba nos indica que terminales tienen la misma polaridad a un mismo tiempo del lado primario y del lado secundario. La corriente alterna genera polaridades cada ciclo en cada terminal del bobinado primario y bobinado secundario del transformador monofásico. Un medio ciclo es polaridad positiva y otro medio ciclo de polaridad negativa. La característica de polaridad es similar a las baterías si las conectamos en paralelo con polaridad invertida se crea un corto circuito. Pocos son los diagramas con marcas de puntos o cruces que nos indican que terminales tienen la misma polaridad al mismo tiempo. Las letras con subíndice son una forma de identificar el tipo de polaridad de los transformadores industriales monofásicos.

10

Figura 1.11 Transformador con polaridad sustractiva y transformador con polaridad aditiva En los transformadores monofásicos en el primario la letra H1 siempre va al lado izquierdo y la H2 al lado derecho. Las marcas en el secundario nos indican si es aditivo o sustractivo. Si en el secundario si tenemos X1 al lado izquierdo y X2 a la derecha su polaridad es sustractiva, en cambio si el orden es que X1 este a la derecha corresponde a un trasformador aditivo.

Figura 1.12 Transformador con polaridad sustractiva

11

Tendremos 2 posibilidades que el bobinado primario este en fase o fuera de fase 180º con el bobinado secundario, cuando está en fase es sustractivo y fuera de fase 180º es aditivo.

Figura 1 .13 Prueba para determinar polaridad resultado polaridad aditiva Por ejemplo, en un caso “Para transformadores monofásicos tipo pedestal hasta 100 KVA” especifica. La polaridad debe ser sustractiva.

Figura 1.14 Transformador con polaridad aditiva

12

El Autotransformador Un autotransformador es una máquina eléctrica de construcción y características similares a las de un transformador, pero que, a diferencia de este, solo posee un devanado único alrededor de un núcleo ferromagnético. Dicho devanado debe tener al menos tres puntos de conexión eléctrica; la fuente de tensión y la carga se conectan a dos de las tomas, mientras que una toma (la del extremo del devanado) es una conexión común a ambos circuitos eléctricos (fuente y carga). Cada toma corresponde a una tensión diferente de la fuente (o de la carga, dependiendo del caso). En un autotransformador, la porción común (llamada por ello "devanado común") del devanado único forma parte tanto del devanado "primario" como del "secundario". La porción restante del devanado recibe el nombre de "devanado serie" y es la que proporciona la diferencia de tensión entre ambos circuitos, mediante la adición en serie (de allí su nombre) con la tensión del devanado común. La transferencia de potencia entre dos circuitos conectados a un autotransformador ocurre a través de dos fenómenos: el acoplamiento magnético (como en un transformador común) y la conexión galvánica (a través de la toma común) entre los dos circuitos. Por esta razón, un autotransformador resulta en un aparato más compacto (y a menudo más económico) que un transformador de la misma potencia y tensiones nominales. De igual manera, un transformador incrementa su capacidad de transferir potencia al ser conectado como autotransformador. En las redes de alimentación, suelen utilizarse autotransformadores trifásicos.

13

Figura 1.15 Circuito del Autotransformador

Transformadores de Instrumentos. Los aparatos de medida y los relés de protección no pueden soportar, por lo general, ni elevadas tensiones ni elevadas corrientes, ya que de lo contrario se encarecería sobremanera su construcción. Por otra parte, es conveniente evitar la presencia de elevadas tensiones en aquellos dispositivos que van a estar al alcance de las personas. Son éstas las principales razones para la utilización de los transformadores de medida y protección, a través de los cuales se pueden llevar señales de tensión y corriente, de un valor proporcional muy inferior al valor nominal, a los dispositivos de medida y protección. Se consigue además una separación galvánica, (entre las magnitudes de alta y baja tensión), de los elementos pertenecientes a los cuadros de mando, medida y protección con las consiguientes ventajas en cuanto a seguridad de las personas y del equipamiento. Como las mediciones y el accionamiento de las protecciones se hallan referidas, en última instancia, a la apreciación de tensión y corriente, se dispone de dos tipos fundamentales de transformadores de medida y protección:  

Transformadores de tensión. Transformadores de corriente.

Normalmente estos transformadores se construyen con sus secundarios, para corrientes de 5 ó 1 A y tensiones de 100, 110, 100/ 3, 110/ 3 V. Los transformadores de corriente se conectan en serie con la línea, mientras que los de tensión se conectan en paralelo, entre dos fases o entre fase y neutro. Transformadores de Corriente

14

Son aparatos en que la corriente secundaria, dentro de las condiciones normales de operación, es prácticamente proporcional a la corriente primaria, aunque ligeramente desfasada. Desarrollan dos tipos de función: transformar la corriente y aislar los instrumentos de protección y medición conectados a los circuitos de alta tensión. El primario del transformador, que consta de muy pocas espiras, se conecta en serie con el circuito cuya intensidad se desea medir y el secundario se conecta en serie con las bobinas de corriente de los aparatos de medición y de protección que requieran ser energizados.

Las espiras del arrollamiento primario suelen ser una o varias, las cuales se pueden a su vez dividir en dos partes iguales y conectarse en serie o paralelo para cambiar la relación, y atraviesan el núcleo magnético, cuya forma suele ser cerrada tipo toroidal o puede tener un cierto entrehierro, sobre el cual se arrollan las espiras del secundario de una forma uniforme, consiguiendo así reducir al mínimo el flujo de dispersión. Este arrollamiento es el que se encarga de alimentar los circuitos de intensidad de uno o varios aparatos de medida conectados en serie. Se puede dar también la existencia de varios arrollamientos secundarios en un mismo transformador, cada uno sobre su circuito magnético, uno para medida y otro para protección. De esta forma no existe influencia de un secundario sobre otro. Si el aparato tiene varios circuitos magnéticos, se comporta como si fueran varios transformadores diferentes. Un circuito se puede utilizar para mediciones que requieren mayor precisión, y los demás se pueden utilizar para protección. Por otro lado, conviene que las protecciones diferenciales de cables o transformadores de potencia y de distancia se conecten a transformadores de corriente independientes. Los transformadores de corriente pueden ser de medición, de protección, mixtos o combinados. Transformador de medición. Los transformadores cuya función es medir, requieren reproducir fielmente la magnitud y el ángulo de fase de la corriente. Su precisión debe garantizarse desde una pequeña fracción de corriente nominal del orden del 10%, hasta un exceso de corriente del orden del 20%, sobre el valor nominal. Transformadores de protección. Los transformadores cuya función es proteger un circuito, requieren conservar su fidelidad hasta un valor de veinte veces la magnitud de la corriente

15

nominal, cuando se trata de grandes redes con altas corrientes puede ser necesario requerir treinta veces la corriente nominal. En el caso de los relés de sobrecorriente, sólo importa la relación de transformación, pero en otro tipo de relés, como pueden ser los de impedancia, se requiere además de la relación de transformación, mantener el error del ángulo de fase dentro de valores predeterminados.

Transformadores mixtos. En este caso, los transformadores se diseñan para una combinación de los dos casos anteriores, un circuito con el núcleo de alta precisión para los circuitos de medición y uno o dos circuitos más, con sus núcleos adecuados, para los circuitos de protección. Transformadores combinados. Son aparatos que bajo una misma cubierta albergan un transformador de corriente y otro de tensión. Se utilizan en estaciones de intemperie fundamentalmente para reducir espacios.

Transformadores de tensión. Un transformador de tensión es un dispositivo destinado a la alimentación de aparatos de medición y /o protección con tensiones proporcionales a las de la red en el punto en el cual está conectado. El primario se conecta en paralelo con el circuito por controlar y el secundario se conecta en paralelo con las bobinas de tensión de los diferentes aparatos de medición y de protección que se requiere energizar. Cada transformador de tensión tendrá, por lo tanto, terminales primarios que se conectarán a un par de fases o a una fase y tierra, y terminales secundarios a los cuales se conectarán aquellos aparatos. En estos aparatos la tensión secundaria, dentro de las condiciones normales de operación, es prácticamente proporcional a la tensión primaria, aunque ligeramente desfasada. Desarrollan dos funciones: transformar la tensión y aislar los instrumentos de protección y medición conectados a los circuitos de alta tensión. En esta definición tan amplia quedan involucrados los transformadores de tensión que consisten en dos arrollamientos realizados sobre un núcleo magnético y los transformadores de tensión que

16

contienen un divisor capacitivo. A los primeros los llamaremos en adelante "Transformadores de Tensión Inductivos" y a los segundos "Transformadores de Tensión Capacitivos". Estos transformadores se fabrican para servicio interior o exterior, y al igual que los de corriente, se fabrican con aislamientos de resinas sintéticas (epoxy) para tensiones bajas o medias de hasta 33 kV, mientras que para altas tensiones se utilizan aislamientos de papel, aceite, porcelana o con gas SF6.