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• Agustina Gutierrez Pari

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TECSUP – PFR

Máquinas Eléctricas I

Unidad II

"TRANSFORMADOR"

1.

INTRODUCCIÓN En un sistema eléctrico, la energía es generada en rangos de tensiones de 12 a 25 kV, luego se eleva a 60 ó 220 kV para poder transmitirla a grandes distancias con bajas pérdidas en las líneas, posteriormente los transformadores bajan el voltaje hasta un rango de 10 a 30 kV para la distribución local y finalmente permiten el uso de la energía a baja tensión. Por lo tanto, el propósito de los transformadores es cambiar de un nivel de tensión a otro según se requiera. Los transformadores pueden clasificarse dependiendo del uso que tengan en un sistema eléctrico de potencia; así uno que esté conectado a la salida de un generador usado para elevar la tensión se denomina transformador de elevador. El transformador utilizado para bajar la tensión de alta tensión (AT) a niveles de distribución se llama transformador de subestación (reductor). Por último, el transformador que cambia la tensión de un nivel de distribución a uno adecuado para el consumo de energía se denomina transformador de distribución (reductor). A pesar de la clasificación anterior, todos los tipos de transformadores mencionados son esencialmente lo mismo; desde el punto de vista de su modelo, difiriendo principalmente en el uso que se pretenda darles.

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Figura 1. Aplicaciones del transformador.

2.

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS Y FUNCIONAMIENTO DE LOS TRANSFORMADORES

PRINCIPIO

DE

De la teoría electromagnética se sabe que cuando se hace circular una corriente alterna por una bobina de N1 vueltas, se produce un flujo magnético el que a su vez induce una tensión en los terminales de la misma. En los transformadores, el campo magnético creado se hace circular por un núcleo de hierro laminado, el cual es fácilmente magnetizable. Si en ese núcleo se bobina otro devanado, el campo magnético encerrado por la segunda bobina induce una tensión en los terminales de ésta. Dicha tensión es proporcional al número de vueltas de la bobina (N2).

Figura 2. Principio de funcionamiento del transformador.

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Por definición, un transformador es un dispositivo en el cual dos o más circuitos eléctricos estáticos están acoplados magnéticamente, estando enlazados los arrollamientos por un flujo magnético común que varía con el tiempo. Uno de estos devanados, conocido como primario, recibe alimentación de la fuente, mientras que el otro devanado, es conocido como secundario, y es el que suministra potencia a la carga, usualmente a una tensión diferente.

2.1.

NÚCLEO Los núcleos de los modernos transformadores aún mantienen las características básicas desarrolladas hace aproximadamente 90 años (laminaciones de hierro dulce delgadas y planas). El material de núcleo ideal (minimizando las pérdidas por histéresis) no debe producir fricción entre las partículas moleculares magnéticas, a medida que el campo magnético continuamente cambia su dirección. Para minimizar las corrientes de Foucault, Eddy o parásitas, el material de laminación debe hacerse tan delgada como sea posible, sin embargo, el espesor no puede ser reducido más allá de cierto punto, porque las laminaciones se volverían muy débiles mecánicamente. La facilidad de magnetización combinado con la deseada dureza ha hecho de los vidrios metálicos o metales amorfos un candidato deseado para reducir los niveles de pérdidas en el hierro mucho más que lo que lo reducen los aceros al silicio. La tabla adjunta muestra la ventaja enorme del uso de núcleos amorfos en transformadores de distribución.

CARACTERÍSTICAS DE DOS TRANSFORMADORES DE 15 KVA PROTOTIPOS MATERIAL DEL NÚCLEO

PARÁMETRO DE OPERACIÓN

ACERO AL SILICIO

NÚCLEO AMORFO

Corriente de excitación o vacío (A)

2,5

0,12

Pérdidas en el núcleo (W)

112

14,0

Pérdidas en el cobre (W)

210

166,0

Pérdidas totales (W) Ahorro de energía (kWh/año)

322 0

180,0 1 250

Temperatura (ºC)

100

70

Tabla 1.

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El espesor delgado, la dureza del material y su fragilidad después de recocido han impedido la sustitución directa del acero al silicio por aleaciones amorfas, en términos de dreno magnético y/o configuración física. Las corrientes parásitas en las materiales del núcleo son minimizadas aislando las laminaciones adyacentes con un revestimiento resistente al aceite y a la corrosión. El revestimiento de aislamiento presenta una alta resistencia a las corrientes de FOUCAULT o EDDY por lo tanto reduciendo las pérdidas.

2.2.

DEVANADOS Las bobinas de los transformadores están diseñadas para obtener el número requerido de vueltas en un espacio mínimo, al mismo tiempo la sección transversal del conductor debe ser tan grande que pueda llevar la corriente nominal, sin sobrecalentarse y un espacio suficiente debe dejarse para el aislamiento y para los canales de refrigeración necesarios. Naturalmente la situación ideal es producir bobinas de mínimo costo que reúnan las características para hacerlas eficientes y ofrecer una larga vida. La primera consideración de materiales depende esencialmente de economía, donde el cobre es generalmente utilizado como conductor. Aun cuando el cobre tiene una baja resistencia específica su costo ha hecho surgir el uso del aluminio especialmente en transformadores de distribución y pequeña potencia, en aceite y en seco. Los materiales aislantes proveen una barrera contra el voltaje, deben colocarse entre espiras individuales y capas en los devanados. Papel Kraft y cartones prensados son los dos materiales típicos más empleados. Papeles o barnices sintéticos teniendo suficiente resistencia dieléctrica son adecuados para aislar platina o alambre. Para bajas tensiones entre espiras, el barniz aislante del alambre es suficiente, pero para más altas tensiones es necesario adicionar papel, en algunos casos se usan combinados y en otros sólo papel para lograr el nivel deseado de aislamiento.

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Se necesita también aislamiento entre devanados o de los devanados a tierra. Cartones prensados o cilindros fabricados con resinas sintéticas y papel son utilizados con estos propósitos.

2.3.

EL SISTEMA DE AISLAMIENTO Este sistema aísla los devanados del transformador entre ellos y sirve para aislar las partes conductoras del transformador contra el núcleo magnético y las estructuras metálicas de soporte. El único propósito tenido en cuenta en los primeros desarrollos de transformadores para el aislamiento fue el de separador mecánico, y simplemente fueron adaptados a usos eléctricos a medida que se necesitaban. El sistema de aislamiento más ampliamente utilizado continua empleando dos ítems básicos: Un aislamiento líquido (Aceite mineral, siliconas, freón, Policlorinados; de los cuales el 90% o más es aceite); y un aislamiento sólido (papel kraft, cartones prensados, madera, esto es; productos de celulosa). Cualquier debilidad del aislamiento, sólido o líquido, puede desarrollar una falla del transformador. Un aislante esta deteriorada cuando ha perdido una parte significante de su resistencia dieléctrica o mecánica. La continuación del proceso de deterioro lleva a una inevitable falla eléctrica o mecánica. La vida de un transformador depende principalmente de la vida de su sistema de aislamiento.

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1 2 3 4 5

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Terminales de A.T. Terminales de B.T. Aletas de ventilación Armazón fundido a presión Bobinado de B.T.

6 7 8 9

Bobinados de A.T. Núcleo de tres columnas. Tomas para conmutador. Tapa del tanque principal.

Figura 3. Partes del transformador.

3.

EL TRANSFORMADOR IDEAL

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Figura 4.

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4.

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EL TRANSFORMADOR REAL

Figura 5.

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5.

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DIAGRAMA VECTORIAL DEL TRANSFORMADOR REAL

Figura 6.

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6.

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CIRCUITO EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR REAL

Figura 7.

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Figura 8.

7.

CORRIENTE DE FOUCAULT La corriente de Foucault es un fenómeno eléctrico descubierto por el físico francés León Foucault en 1851. Es causada cuando un campo magnético variable intersecta un conductor, o viceversa. El movimiento relativo causa una circulación de electrones, o corriente dentro del conductor. Estas corrientes circulares de

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Foucault crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al efecto del campo magnético aplicado (ver Ley de Lenz). Mientras más fuerte sea el campo magnético aplicado, o mayor la conductividad del conductor, o mayor la velocidad relativa de movimiento; mayores serán las corrientes de Foucault y los campos opositores generados. En los núcleos de bobinas y transformadores se generan tensiones inducidas debido a las variaciones de flujo magnético a que son sometidos. Estas tensiones inducidas son causa de que se produzcan corrientes parásitas en el núcleo (llamadas corrientes de Foucault), que no son óptimas para la buena eficiencia eléctrica de estos. Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule. Más precisamente, las corrientes de Foucault transforman formas útiles de energía como la energía cinética, en calor, lo cual generalmente es mucho menos útil. A su vez disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnéticos variables, como ser transformadores de núcleo de hierro y motores eléctricos. Estas pérdidas son minimizadas utilizando núcleos con materiales magnéticos que tengan baja conductividad eléctrica (como por ejemplo ferrita) o utilizando delgadas hojas de material magnético, conocido como laminados. Los electrones no pueden atravesar la capa aisladora entre los laminados y por lo tanto no pueden circular en arcos abiertos. Se acumulan cargas en los extremos del laminado, en un proceso análogo al efecto Hall, produciendo campos eléctricos que se oponen a una mayor acumulación de cargas y a su vez eliminando las corrientes de Foucault. Mientras mas corta sea la distancia entre laminados adyacentes (por ejemplo, mientras mayor sea el número de laminados por unidad de área, perpendicular al campo aplicado), mayor será la eliminación de las corrientes de Foucault. La pérdida de energía útil no siempre es indeseable, no obstante, tiene algunas aplicaciones prácticas. Una de ellas es en los frenos de algunos trenes, conocidos como frenos de corrientes de Foucault (eddy current brake). Durante el frenado, las ruedas de metal están expuestas a un campo magnético de un electroimán, que genera corrientes de Foucault en las ruedas. Las corrientes de Foucault encuentran resistencia mientras circulan a través del metal, y disipan energía como calor, generando que las ruedas disminuyan su velocidad. Mientras más rápido giren las ruedas, más fuerte será el efecto, resultando en que a medida que el tren disminuya su velocidad, también lo hará la fuerza de frenado, resultando en un frenado suave.

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8.

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EL DIAGRAMA DE KAPP

Figura 9.

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Figura 10.

9.

PRUEBAS, GRUPO DE CONEXIONES En los transformadores, igual que en el resto de máquinas eléctricas, se producen pérdidas de potencia. Estas se deben a las pérdidas en el hierro del circuito magnético y también a las del cobre del circuito eléctrico de los bobinados. Las pérdidas pueden determinarse mediante ensayos de vacío y de cortocircuitos respectivamente. Por tratarse de máquinas estáticas carecen de pérdidas mecánicas.      

Funcionamiento en vacío. Ensayo de cortocircuito. Rendimiento. Medidas de temperatura. Medidas de aislamiento y continuidad. Ensayo de la rigidez dieléctrica del aceite.

9.1.

FUNCIONAMIENTO EN VACÍO La potencia perdida en el hierro del circuito magnético de un transformador puede ser el ensayo de vacío. Se realiza este ensayo dejando abierto el circuito secundario del transformador, mientras se alimenta el circuito primario a su tensión nominal.

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La potencia absorbida en estas condiciones exclusivamente a las pérdidas en el hierro.

corresponde

casi

En efecto por ser nula la corriente I2 del bobinado secundario, no aparecen pérdidas de potencia. Por otra parte siendo muy pequeña la intensidad de vacío (Io), resultan prácticamente despreciables las pérdidas en el cobre (bobinado), del circuito primario. De ahí que se pueda afirmar que Io, depende del tipo de chapa empleada en el circuito magnético, por ello tendremos que:  En transformadores antiguos, de chapa laminada en caliente, Io representa entre el 4 y 14% de In.  En los transformadores actuales, de chapa de grano orientado, laminadas en frío, Io representa entre el 0,6 y 8% de In.

9.2.

PÉRDIDAS EN EL HIERRO Las pérdidas en el hierro pueden calcularse aplicando la siguiente fórmula:

Ph 

 1,6 .K .V . f 107

Donde: P- en vatios, f- en Hz, -en gauss, K-depende del tipo de chapa empleada, V-volumen del núcleo en cm3. Con ello se demuestra que las pérdidas en el hierro son constantes y sólo dependen del material empleado. También pueden calcularse las pérdidas en el hierro, midiendo la tensión aplicada al primario, la intensidad absorbida en vacío y el coseno, que trasladados a la siguiente fórmula, nos da el valor buscado en vatios.

Ph  U1.I 0 cos 0 Aunque se consideran despreciables las pérdidas en el cobre durante el ensayo en vacío, éstas pueden calcularse, midiendo la resistencia eléctrica 37

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del bobinado primario, con lo que la potencia perdida será; Pcu = RxI02 con lo que las pérdidas reales en el hierro, será la potencia leída en el vatímetro, menos las pérdidas en el cobre.

Ph  PW  Pcu Relación de transformación en vacío Para conocer la relación de transformación, basta con conectar dos voltímetros, uno entre dos fases del primario y el otro entre dos del secundario, estando éste en vacío. La relación de transformación será:

mo 

U1 U1

Esta relación es válida para los transformadores monofásicos y aquellos trifásicos cuya conexión de primario y secundario sea igual, (Y-y) estrellaestrella o (D-d) triángulo-triángulo. Cuando la conexión sea distinta, (Y-d) o (D-y) la relación será:

mY  d  

U1. 3  m0 . 3 U2

O bien

m D  y   9.3.

U1 m  0 U2. 3 3

ENSAYO DE CORTOCIRCUITO Con este ensayo se pueden obtener principalmente las siguientes características:     

Pérdidas en el cobre o circuitos eléctricos. Tensión de cortocircuito o caída de tensión en carga. Impedancia, (resistencia e inductancia de cortocircuito). Intensidad máxima de cortocircuito. Reactancia, cos (coseno de cortocircuito), etc.

Se realiza este ensayo poniendo en cortocircuito el secundario del transformador, y alimentando el primario con una fuente de tensión

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alterna regulable, desde cero, con lo que se irá aumentando la tensión aplicada, hasta conseguir la intensidad nominal. A la tensión necesaria para conseguir la intensidad nominal, se le denomina, tensión de cortocircuito (Ucc).

9.4.

PÉRDIDAS EN EL COBRE Como la tensión primaria ha de ser muy pequeña, la inducción en núcleo magnético será también muy baja, por lo que las pérdidas en hierro pueden ser despreciables. Por otra parte teniendo en cuenta que secundario está en cortocircuito franco, la tensión será nula y también potencia cedida al exterior.

el el el la

Por tanto, la potencia absorbida por el primario del transformador, corresponderá casi exclusivamente, a las pérdidas por efecto joule en los arrollamientos del primario y del secundario, llamadas pérdidas en el cobre.

9.5.

TENSIÓN DE CORTOCIRCUITO Es la tensión que es necesario aplicar al primario de un transformador, que tiene el secundario en cortocircuito, para que por él circule la intensidad nominal (In). Esta tensión se expresa en tanto por ciento de la tensión nominal del primario y viene dada por la expresión:

 cc 

U cc .100 Un

cc - Tanto por ciento de la tensión nominal. Un - Tensión nominal del primario. Ucc - Tensión de cortocircuito.

9.6.

IMPEDANCIA, RESISTENCIA CORTOCIRCUITO

E

Las expresiones que dan estas magnitudes son:

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INDUCTANCIA

DE

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Z cc  9.7.

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U cc In

Rcc 

W1  W2 cc I

2 n

X cc  Zcc 2 Rcc

2

INTENSIDAD MÁXIMA DE CORTOCIRCUITO La corriente de cortocircuito es:

I cc 

U2  Z cc

U 1m Rcc  X cc 2

2

La corriente de cortocircuito de un transformador se puede reducir, aumentando la reactancia interior. Sin embargo esto dará lugar al aumento de la tensión de cortocircuito Ucc y esto es un inconveniente en el funcionamiento normal del transformador.

9.8.

FACTOR DE POTENCIA EN CORTOCIRCUITO La expresión que no dé el factor de potencia en un cortocircuito será:

cos  cc 

W1  W2 U cc .I n

Cuyo valor suele ser bajo, aún cuando no tan bajo como el de vacío. Las medidas proporcionadas por los tres aparatos fundamentales (V, A y W), permiten calcular y trazar todos los elementos del diagrama de KAPP.

CAÍDA DE TENSIÓN ACTIVA Y REACTIVA Estas se calculan por las siguientes relaciones:

U Rcc  U cc .cos cc

U Xcc  U cc .sen cc

Pero al igual que la tensión de cortocircuito, estos datos, también suelen darse en tanto por ciento, resultando:

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 Rcc 

U Rcc .100 U n1

 Xcc 

U Xcc .100 U n1

En los transformadores trifásicos las tensiones de cortocircuito suelen ser aproximadamente de los siguientes valores: TRANSFORMADORES HASTA 1 000 kVA. cc de 3 a 6% “ DESDE 1 000 kVA. cc de 6 a 13% También es útil saber que: Xcc  Rcc RENDIMIENTO El rendimiento de un transformador es variable y depende del valor de la potencia suministrada. Un transformador funciona a su máximo rendimiento cuando la intensidad de la corriente de carga es de valor tal, que resultan iguales las pérdidas de potencias en el hierro y en el cobre. Normalmente el valor máximo de rendimiento, no corresponde a su régimen nominal. En la práctica los transformadores se calculan para obtener el rendimiento máximo en las condiciones de carga que se supone va a trabajar durante más tiempo. El rendimiento de un transformador se calcula por métodos directos e indirectos.  Directos. Cargando el transformador con una carga real, en el secundario y midiendo la potencia absorbida y la potencia cedida.



Potencia  cedida P  s Potencia  absorbida Pp

Este método no es aconsejable para transformadores de mediana y gran potencia, puesto que al hacer las medidas se pueden cometer errores importantes.  Indirectos. Consiste en tener en cuenta todas las pérdidas que se producen, calculadas en los ensayos de vacío y cortocircuito, teniendo además en cuenta el índice de carga.

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El índice de carga se calcula teniendo en cuenta, los valores de intensidad en ambos bobinados para un determinado régimen de carga, así:

C

I2 I  1 I 2 n I1n

I1 e I2 son valores de carga y los de I2n e I1n son valores nominales. La relación anterior sólo es aceptable cuando Io < I1. Teniendo en cuenta que el rendimiento de un transformador en carga es:



P2 P2  P1 P2  Pcu  Pfe

Pfe - Es prácticamente constante para U1n fija, independientemente del régimen de carga. Pcu - Disminuye con el cuadrado de la carga. 2

 I2  Pcu  R1.I  R2 .I  Rcc    C 2 .Pcc m 2 1

2 2

Luego el rendimiento a un régimen de carga (C), es:

c 

P2 U 2 .In2 .C. cos  2  2 P2  P0  C .Pcc U 2 .In2 .C. cos  2  P0  C 2 .Pcc

Y como consecuencias:  Para un índice de carga fijo (C), c varía con el factor de potencia de la carga.  Para un valor de constante, (cos2) constante, c varía en función de C. Así se puede calcular el rendimiento máximo c máx, para un régimen de carga determinado y (cos2) constante.

c 

U 2 .I 2 n . cos  2 .C U 2 .I 2 n . cos  2 .C  P0  C 2 .Pcc

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Si en esta ecuación dividimos por “C” en los dos miembros, queda:

c 

U 2 .I 2 n . cos  2 .C P U 2 .I 2 n . cos  2  0  C.Pcc C

Lo que indica que el rendimiento es máximo, cuando P0/C + C.Pcc es mínimo. Esta relación valdrá cero, cuando P0 = Pcc.C2, o bien Pcc = P0. El índice de carga adecuado, para un rendimiento máximo será:

C máx 

P0 Pcc

EJEMPLO: En un transformador de 500 kVA, 30 000 / 400 V, se obtiene en un ensayo, P0 = 1 300 W, Pcc = 5 200 W. El índice de carga productor del mejor rendimiento es:

Cmáx 

P0 1.300 1 1     0,5 De carga. Pcc 5.200 4 2

Estos cálculos podríamos utilizarlos como comparativos en los siguientes casos: ÍNDICE “C”

COS = 1

1/1 = 1 ½ = 0,5 ¼ = 0,25

Los datos de la tabla demuestran que el máximo rendimiento se alcanza, como habíamos calculado, para media carga.

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9.9.

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BALANCE DE POTENCIAS

Figura 11.

10. MANTENIMIENTO PREVENTIVO Y PREDICTIVO

10.1. MANTENIMIENTO DE TRANSFORMADORES DE POTENCIA Para mantener funcionando satisfactoriamente un transformador, con el menor costo y la mayor confiabilidad, se requiere de un programa de mantenimiento elaborado no sólo por el personal encargado directamente, sino también con participación de la dirección de la empresa. Sea correctivo, preventivo o predictivo, el mantenimiento es una función administrativa ligada estrechamente al control de gestión, presente hoy en día en casi todas las empresas organizadas. Ha sido un error

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sistemático de muchas empresas el considerar el mantenimiento como un gasto, en vez de una inversión ya que preserva los activos de la empresa. No se hace énfasis sobre el tiempo en que debe ejecutarse cada actividad, debido a que esto lo determinan las condiciones de funcionamiento y las recomendaciones de cada fabricante en particular, pero si es importante destacar que ningún detalle debe de ser omitido pues la falla de un sólo componente afecta en mayor o menor grado toda la operación del equipo.

10.2. MANTENIMIENTO PREVENTIVO Los trabajos de mantenimiento preventivo sólo se deben efectuar estando el transformador desconectado; los bornes se ponen a tierra. Los transformadores en seco se han de mantener libres de polvo y proteger contra el ensuciamiento. Por este motivo hay que limpiarlos de vez en cuando con un fuelle o un aspirador de polvo; las conexiones y uniones por tornillo se deben revisar con regularidad. La resistencia del aislamiento de los arrollamientos entre sí y con respecto a tierra sirve de criterio para indicar si en un transformador que ha estado fuera de servicio durante largo tiempo, se ha formado humedad y debe secarse. Si las resistencias medidas son inferiores a los citados valores de orientación, se habrá formado humedad. El mantenimiento de los transformadores de aislamiento líquido comprende la observación del nivel del líquido en las mirillas, el control de las juntas y de la capa de pintura, la comprobación de la humedad y de las pérdidas del líquido de refrigeración y aislamiento y, dado el caso, el control del granulado de secado (silícico) en el deshumectador de aire. Si hay fugas de líquido de refrigeración y aislamiento, hay que añadir nuevo líquido de la misma clase que el original. Se recomienda comprobar por medición la tensión disruptiva mínima del líquido de relleno. El mantenimiento de la pintura comprende esencialmente el cuidado y la renovación de las dos últimas capas. Si se producen daños de importancia en la pintura, conviene consultar al fabricante del transformador. Los retoques se deben efectuar, a ser posible, con las pinturas originales.

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10.3. MANTENIMIENTO PREDICTIVO Una de las principales ventajas del mantenimiento predictivo en transformadores, es que su realización no requiere en principio la desconexión del equipo de la red. Algunas de las técnicas habituales de mantenimiento predictivo que tienen aplicación en los transformadores son las siguientes:      

Medida y análisis de vibraciones. Termografía. Emisión acústica en componentes sometidos a esfuerzos intensos. Cromatografía de gases. Técnicas de ultrasonido. Detección de caídas anormales de presión en el sistema de conducción de fluidos refrigerantes.  Medición de impulsos de choque para evaluar el estado de los soportes estructurales.

11. EL AUTOTRANSFORMADOR El autotransformador está formado por dos devanados parciales, el devanado en paralelo y devanado en serie, conectados uno tras el otro.

230 V 60 Hz I1

Devanado serie

I2-I1 Devanado paralelo I2

I2 220 V 60 Hz Figura 12.

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El devanado en paralelo constituye el devanado de B.T. y está conectado en paralelo con la carga en caso transformadores reductores y en paralelo con la red en caso de transformadores elevadores. El devanado de A.T. está constituido por la combinación serie del devanado serie y el devanado en paralelo. En los autotransformadores, el devanado de entrada está eléctricamente unido con el devanado de salida, por este motivo es que los autotransformadores no se pueden emplear como transformadores de seguridad. La potencia que puede suministrar un autotransformador se llama potencia de paso. La transmisión de dicha potencia se realiza en parte por conducción de corriente del devanado de entrada al de salida y en parte por inducción. Cuanto mayor es la potencia transmitida por conducción, tanto menor, (para una misma potencia de paso), es la potencia a transmitir por inducción, (la llamada potencia constructiva), de la que depende el tamaño del autotransformador.

Donde: SB = potencia constructiva U1 = tensión superior U2 = tensión inferior SD = potencia de paso.

Potencia absorbida

perdidas en el devanado

potencia transmitida por conduccion

potencia constructiva

perdidas en el hierro Figura 13.

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potencia de paso

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RESUMIENDO  Con el autotransformador se ahorra cobre en el devanado y hierro en el núcleo.  El ahorro respecto a los transformadores convencionales es tanto mayor cuanto más próximas son las tensiones de entrada y salida. El rendimiento de los autotransformadores puede llegar al 99,8%, si ambas tensiones sólo se diferencian en un 10%.  La tensión de cortocircuito es generalmente baja.  Los pequeños autotransformadores se construyen en forma de transformadores variables de núcleo anular, de modo similar a los potenciómetros giratorios. USOS:  Como aparatos de conexión para lámparas de vapor de sodio.  Como transformadores de arranque de motores trifásicos.  Como transformadores de regulación en redes de A.T.  Para la transformación de tensiones muy altas 220 kV a 400 kV.

12. EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO Un sistema trifásico se puede transformar empleando 3 transformadores monofásicos. Los circuitos magnéticos son completamente independientes, sin que se produzca reacción o interferencia alguna entre los flujos respectivos. Otra posibilidad es la de utilizar un solo transformador trifásico compuesto de un único núcleo magnético en el que se han dispuesto tres columnas sobre las que sitúan los arrollamientos primario y secundario de cada una de las fases, constituyendo esto un transformador trifásico como vemos a continuación

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Figura 14.

En un transformador trifásico cada monofásico, entonces toda la transformadores monofásicos cuenta que las magnitudes que allí por fase:

columna está formada por un transformador teoría explicada en la sección de los es válida para los trifásicos, teniendo en aparecen hace referencia ahora a los valores

Figura 15.

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Figura 16.

12.1. CONEXIONES DE LOS ARROLLAMIENTOS Para relacionar las tensiones y las corrientes primarias con las secundarias, no basta en los sistemas trifásicos con la relación de transformación, sino que se debe indicar los desfases relativos entre las tensiones de una misma fase entre el lado de alta tensión y el de baja Tensión. Una manera de establecer estos desfases consiste en construir los diagramas fasoriales de tensiones y corrientes, conociendo: la conexión en baja y alta tensión (estrella, triángulo o zig-zag), las polaridades de los enrollados en un mismo circuito magnético o fase, y las designaciones de los bornes.

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Figura 17.

Los tres arrollamientos, tanto del primario como del secundario, se pueden conectar de diversas formas, siendo las siguientes algunas de las más frecuentes:

12.1.1.

CONEXIÓN ESTRELLA

Figura 18.

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12.1.2.

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CONEXIÓN TRIÁNGULO

Figura 19.

12.1.3.

CONEXIÓN ZIG-ZAG

Figura 20.

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La tensión Van tiene un valor de:

Figura 21.

12.2. ÍNDICE HORARIO Todos los arrollamientos montados sobre una misma columna abrazan en cada instante el mismo flujo común F y con el fin de precisar el sentido de las f.e.m. suponemos que el sentido de arrollamiento de las bobinas primarias y secundarias es el mismo. Si designamos con la misma letra los terminales homólogos en cuanto a polaridad instantánea de dos cualesquiera de estos arrollamientos montados sobre la misma columna, los vectores representativos de las f.e.m. respectivos se presentaran como se indica a continuación. Dependiendo del tipo de conexión, las tensiones simples del primario y del secundario pueden no estar en fase, cosa que siempre ocurre en los transformadores monofásicos. Para indicar el desfase existente entre las tensiones simples, se suele utilizar el llamado índice horario (ángulo formado por la aguja grande y la

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pequeña de un reloj cuando marca una hora exacta), expresado en múltiplos de 30º (ángulo entre dos horas consecutivas, 360º/12 = 30º). El conocimiento del desfase (índice horario) es muy importante cuando se han de conectar transformadores en paralelo, dado que entonces, todos los transformadores deben tener el mismo índice horario, para evitar que puedan producirse corrientes de circulación entre los transformadores cuando se realice la conexión. A continuación veremos algunas de las formas más frecuentes de conexión (el desfase se obtiene multiplicando el número que acompaña la denominación por 30, ejemplo: en Yy6 el desfase es 6*30 = 180º): VFP VFS VLP VLS

= Tensión fase primario; = tensión fase secundario; = Tensión línea primario; = tensión línea secundario

Figura 22.

Relación de transformación: VFP / VFS = m VLP / VLS = (3 * VFP) / (3 * VFS) = m

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Figura 23.

Relación de transformación: VFP / VFS = m VLP = VFP VLS = VFS VLP / VLS = VFP / VFS = m

Figura 24.

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Relación de transformación: VFP / VFS = m VLP / VLS = (3 * VFP) / VFS VLP / VLS = (3 * m)

Figura 25.

Relación de transformación: VFP / VFS = m VLP / VLS = VFP / (3 * VFS) VLP / VLS = m /3

El gráfico siguiente demuestra la justificación del índice horario para esta conexión DY11

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Figura 26.

Figura 27.

Relación de transformación: VFP / VFS = m VLP / VLS = 3 VFP / (3 3 VFS/2) VLP / VLS = 2 m /3

57

Máquinas Eléctricas I

TECSUP – PFR

12.3. RENDIMIENTO

Figura 28.

12.4. PARALELO DE TRANSFORMADORES

Figura 29.

58

TECSUP – PFR

Máquinas Eléctricas I

12.4.1.

TABLA DE ÍNDICES HORARIOS

Tabla 2.

59

Máquinas Eléctricas I

TECSUP – PFR

13. BIBLIOGRAFÍA 1.

“Transformadores de potencia, de medida y de protección”. Enrique Ras. Ed. Alfaomega – Marcombo.

2.

“Máquinas eléctricas”. Stephen Chapman. Ed. McGraw-Hill.

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4.

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