• Author / Uploaded
• edaurdo

Citation preview

4.2 Transformadores de potencia • 4.2.1 Generalidades • Descripción • Circuito magnético • Circuito eléctrico • Refrigeración • Aspectos constructivos

• 4.2.2 Principio de funcionamiento • El transformador ideal • Funcionamiento en vacío • Funcionamiento en carga

• 4.2.3 Circuito equivalente • Reducción al primario • Circuito equivalente exacto • Circuito equivalente aproximado

• 4.2.4 Transformadores trifásicos • Descripción • Grupos de conexión

4.2 Transformadores de potencia • 4.2.5 Ensayos del transformador • Ensayo de vacío • Ensayo de cortocircuito

• 4.2.6 Rendimiento del transformador • Pérdidas en el transformador • Rendimiento

• 4.2.7 Regulación de tensión • Caída de tensión • Regulación de tensión: cálculo aproximado • Efecto Ferranti

• 4.2.8 Placa de características • 4.2.9 Datos de catálogo

4.2.1 Generalidades Descripción • Máquina eléctrica que se utiliza en la red eléctrica para cambiar los niveles de tensión • Pérdidas muy reducidas: potencia de entrada casi igual a la de salida

• Componentes básicos: – Circuito magnético – Devanados primario y secundario • El devanado de mayor tensión presenta menores intensidades que el de menor (porque la potencia es casi constante) Flujo magnético • Relación de transformación:rt=U1/U2 – Transformador elevador: rt1 • Características principales: – Tensiones nominales: U1n, U2n – Potencia aparente nominal: Sn

U1

– Intensidades nominales: I1n, I2n Primario – Frecuencia nominal

I2

U2

Secunda

4.2.1 Generalidades Núcleo de chapa magnética aislada

4.2.1 Generalidades Circuito magnético • Apilamiento de chapas de material ferromagnético de pequeño espesor • Las chapas están aisladas para reducir pérdidas por corrientes parásitas • Tipos de núcleos magnéticos de transformadores monofásicos:

Columnas Culatas Normal

Acorazado

• El núcleo suele aproximarse a una sección circular a base de paralelepípedos • Posibles tipos de unión de las chapas: solape y tope • Posibles tipos de corte de las chapas: 45 y 90 grados

Unión a tope

Unión a solape

Sección columna

4.2.1 Generalidades Circuito eléctrico • Forma circular dispuestos concéntricamente a la columna • Compuestos por conductores aislados entre si: – –

Hilos de cobre esmaltados (trafos de pequeña potencia) Pletina de cobre encintada (trafos de elevada potencia)

• Devanado de baja tensión siempre en el interior para disminuir los gradientes de tensión, pues el núcleo está puesto a tierra • Disposiciones:

Devanados concéntricos

Devanado en galletas Alta tensión Baja tensión Aislamiento

4.2.1 Generalidades Circuito magnético y eléctrico

Detalle de un núcleo magnético

Proceso de conformado de un devanado

4.2.1 Generalidades Refrigeración • Pérdidas en el transformador: – –

Núcleo magnético (histéresis y corrientes parásitas) Joule en los devanados

• Necesidad de evacuar las pérdidas para mantener la temperatura por debajo del límite térmico de los aislamientos: elevada superficie específica • Propiedades del medio refrigerante: – –

Alta conductividad térmica Alta rigidez dieléctrica

• Posibilidades: – –

Baño de aceite (transformadores en baño de aceite) Resina epoxídica (transformadores secos)

• Tipos de refrigeración en transformadores: – –

Exterior (natural o forzada) Interior (natural o forzada)

• Notación del tipo de refrigeración. Ejemplos: – – –

OFAF (Oil Forced Air Forced): refrigeración interior y exterior forzada ONAN (Oil Natural Air Natural): refrigeración interior y exterior natural ONAF (Oil Natural Air Forced): refrigeración interior natural y exterior forzada

4.2.1 Generalidades Refrigeración

Transformador en aceite

Transformador seco

4.2.1 Generalidades Aspectos constructivos

1 2

3 4

Transformador en aceite

5

1

Núcleo de hierro

6

2

Devanados

7

3

Cuba

8

4

Radiadores

5

Depósito de expansión

6

Bornas de alta tensión

7

Bornas de baja tensión

8

Placa de características

4.2.2 Principio de funcionamiento El transformador ideal • Hipótesis de funcionamiento: –

–

Devanados: • Sin pérdidas Joule • Sin flujos de dispersión Circuito magnético: • Sin pérdidas en el hierro • Permeabilidad infinita (posibilidad de existencia de flujo sin consumo de intensidad magnetizante)

• Ecuaciones: –

Segunda ley de Kirchhoff en cada devanado

df dt

e1

N1

u2

e2

df N2 dt

U1 U2

4.44N1 ff 4.44N2 ff

u1

I U1

U1 U2

N1 N2

rt

1

E1

I

2

E2

U

4.2.2 Principio de funcionamiento El transformador ideal • Ecuaciones: –

F1

F

Circuito magnético asociado

F2

Rf

N1I1

N2 I2

0

I1

1

I2

rt

+

R +

F1=N1I1

F2=N2

• El transformador ideal es una dispositivo teórico que no existe en realidad • A partir de este modelo ideal se incorporarán cada una de las simplificaciones enunciadas anteriormente para obtener el modelo del transformador real • Modelo del trafo ideal

I1 +

U1

I2 rt:1

+

U1 U2

U2

I1

N1 N2 1

rt

4.2.2 Principio de funcionamiento I2ideal rt El transformador -

4.2.2 Principio de funcionamiento El transformador real: funcionamiento en vacío • Transformador en vacío: no se tiene conectada ninguna carga en el secundario • Introducción de la permeabilidad finita del circuito magnético: – –

Se necesita una intensidad para magnetizar el núcleo Se calcula a partir de la curva de magnetización B-H punto a punto

• Conclusiones: – – –

La intensidad de vacío no es senoidal sino deformada debida a la saturación La intensidad de vacío está en fase con el flujo Si se considera la senoide equivalente se puede hacer un diagrama fasorial

U I0

F

4.2.2 Principio de funcionamiento El transformador real: funcionamiento en vacío • Introducción de las pérdidas en el circuito magnético – –

Ahora la curva de magnetización describe el ciclo de histéresis Se calcula de forma similar a la anterior

• Conclusiones: – – –

La intensidad de vacío no es senoidal sino deformada (saturación e histéresis) La intensidad de vacío adelanta al flujo Si se considera la senoide equivalente se puede hacer un diagrama fasorial

U IFe fo

Io Im

F

Io: Intensidad de vacío Ife: Componente de pérdidas en el hierro Im: Componente de magnetización

4.2.2 Principio de funcionamiento El transformador real: funcionamiento en vacío • Modificación del circuito equivalente del transformador para tener en cuenta: –

Permeabilidad finita del material: Im retrasa a la tensión reactancia Xm

–

Pérdidas en el hierro: Ife en fase con la tensión resistencia Rfe

Io +

IFe

U1 RFe -

0 Im

+

jXm E1 -

0 rt:1

+ E2= U2 -

U1= E1 IFe

Io fo

Im

F

4.2.2 Principio de funcionamiento El transformador real: funcionamiento en vacío • Modificación del circuito equivalente del transformador para tener en cuenta: – Resistencia del devanado primario: R1 –

Flujo de dispersión en el devanado primario: X1

• La tensión primaria no es idéntica a la fuerza electromotriz E1 y E2

R1

U1

jX1 Io

+ U1 -

IFe RFe

0 Im

+

jXm E1 -

jX1Io

0 rt:1

R1Io

+ E2= U2 -

E1 IFe

Io fo

Im

F

4.2.2 Principio de funcionamiento El transformador real: funcionamiento en carga • Transformador en carga: se conecta una carga en el secundario (circula intensidad) • En el devanado secundario existirán los mismos efectos que en el primario: resistencia y reactancia de dispersión

R1

jX1

+

I1= I0+ I2/rt

I Fe

U1

Im

RFe

+

jXm E1

-

R2

I2/rt rt:1

+

E2

U2

-

-

E2

jX1I1 R1I1

jX2I2 U2

E1 I1

I2

+

-

U1

jX2

R2I2 I

2

4.2.2 Principio de funcionamiento El transformador real: Ffuncionamiento en carga F

4.2.3 Circuito equivalente Reducción al primario • Un circuito eléctrico que incluye transformadores no tiene un único nivel de tensión • Para resolver este inconveniente se puede realizar la reducción a uno de los devanados. En el transformador ideal:

I1

I2 rt:1

+ U1

U2 -

-

U2

+ Zc

ZcI2

U1

N1

U2

N2

2

U1

rt

rt ZcI1 I1

1

I2

rt

U1 Zc' I1 2 Z'c rt Zc

Z’c • La impedancia se ve desde el primario con valor Z’c • Las magnitudes que están en un secundario y se reducen al primario se notarán M’ • Las magnitudes que están en un primario y se reducen al secundario se notarán M’’

•

4.2.3 Circuito equivalente Con la reducción a uno de los devanados desaparece el transforma dor ideal del Reducción al primario circuito, existiendo un único nivel de tensión

4.2.3 Circuito equivalente Circuito equivalente exacto • Consiste en reducir a uno de los devanados, generalmente el primario

U1 R1

jX1

R´2 I1

+ U1 -

IFe RFe

jX’2

jX1I1 R1I1

I´2 Im + jXm E1=E´2 -

+ U´2 -

jX2I´2 E1=E´2 U´2

R2I´2 I1

I0 I´2 F

4.2.3 Circuito equivalente Circuito equivalente aproximado • La resistencia y reactancia de dispersión son tan pequeñas que la fuerza electromotriz E1 puede suponerse igual a la U1, lo que plantea una simplificación

I1 +

IFe

U1 =E1=E´2 RFe

R1

I´2

jX1

R´2

jX’2

+

Im jXm

U1=E1=E´2

U´2

j(X1+X´2)I´2

(R1+ R´2 )I

-

-

U´2 • La suma de las impedancias primaria y secundaria se denomina impedancia de cortocircuito:

Rcc Xcc

R1 R2 X1 X 2

I1

I0 I´2

Zcc

Rcc2

2 X cc

F

4.2.4 Transformadores trifásicos Descripción • La transformación trifásica se puede realizar a partir de: – Banco trifásico de tres transformadores monofásicos • Se pueden realizar conexiones en estrella o en triángulo tanto en primario como en secundario

R S T

R S T 1º

1º

1º

2º

T1 2º

T2 2º

T3

1º

1º

1º

2º

T1 2º

T2 2º

r s t

r s t

Banco estrella-estrella

Banco triángulo-triángulo

T

4.2.4 Transformadores trifásicos Descripción • La transformación trifásica se puede realizar a partir de: – Transformador trifásico de tres columnas: • Cada columna contiene los devanados de alta y baja de una fase

Alta tensión Baja tensión Aislamiento

Fase R

Fase S

Fase T

• Las conexiones de estas bobinas pueden ser en estrella y en triángulo

4.2.4 Transformadores trifásicos Grupos de conexión • Designación de los transformadores trifásicos: dos letras más un número – Primera letra: conexión del devanado de alta tensión • Estrella: Y • Triángulo: D – Segunda letra: conexión del devanado de baja tensión: • Estrella: y • Triángulo: d – Número: índice horario • Se refiere al ángulo de desfase de las tensiones secundarias con respecto a las primarias • La tensión primaria se toma como origen de fases a las “12 horas” • El índice horario se refiere a la “hora que está marcando” la tensión secundaria (ángulo de desfase en grados dividido por 30)

– Ejemplo: Yy0

UR

• Devanado de alta tensión en estrella • Devanado de baja tensión en estrella • Desfase nulo

Ur

UT

US

Ut

Us

4.2.4 Transformadores trifásicos Grupos de conexión • Designación de los transformadores trifásicos: dos letras más un número

– Ejemplo: Yy6

UR

• Devanado de alta tensión en estrella • Devanado de baja tensión en estrella • Desfase 180 grados

Us

UT

US

Ut Ur

UR

– Ejemplo: Dy11

Ur

• Devanado de alta tensión en triángulo • Devanado de baja tensión en estrella • Desfase 30 grados

U

UT

– Ejemplo: Dy5 • Devanado de alta tensión en triángulo • Devanado de baja tensión en estrella

US

Ut

UR Ut Us

•

4.2.4 Transformadores trifásicos US Desfase -150Grupos grados UT de conexión

• Designación de los transformadores trifásicos: dos letras más un número

Ur

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

4.2.5 Ensayos del transformador Ensayo de vacío • Condiciones de realización del ensayo: – Secundario abierto (sin carga) – Tensiones de alimentación primarias cercanas a la nominal. Si la tensión es la nominal, el ensayo se realiza en condiciones nominales • Medidas que se realizan: – Tensión de vacío primaria y secundaria: U10 y U20 – Intensidad de vacío: I0 – Potencia de vacío: P0 • Esquema del ensayo

A

U10

V

W

I0 V

U20

4.2.5 Ensayos del transformador Ensayo de vacío • Circuito equivalente aproximado asociado al ensayo:

+I IFe 0 U1 =E1=E´2 RFe

Im jXm

U1= E1 IFe

Io fo

-

Im

F

• Cálculo de los parámetros de la rama de magnetización (caso monofásico):

cosjo

Po Uo Io

Io

IFe

Io cosjo

Im

Io sinjo

j o

RFe

jo

Xm

Uo IFe U o Im

4.2.5 Ensayos del transformador Ensayo de cortocircuito • Condiciones de realización del ensayo: – Secundario cortocircuitado – Intensidad de alimentación primarias cercanas a la nominal. Si la intensidad es la nominal, el ensayo se realiza en condiciones nominales • Medidas que se realizan: – Tensión de cortocircuito: Ucc – Intensidad de cortocircuito: Icc – Potencia de cortocircuito: Pcc • Esquema del ensayo

A

Ucc

V

W

Icc

4.2.5 Ensayos del transformador Ensayo de cortocircuito • Circuito equivalente aproximado asociado al ensayo:

Icc

Rcc

Ucc

jXcc

jXccIcc

+ Ucc

RccIcc fcc

-

Icc • Cálculo de los parámetros de la rama de cortocircuito (caso monofásico):

Pcc

cosj cc

Z

U cc

U cc I cc jcc

Rcc

j cc

Zcc cosjcc

4.2.5 Ensayos del transformador cc Xcc Zcc sin jcc I cc de cortocircuito Ensayo

4.2.6 Rendimiento del transformador Balance de pérdidas • Las pérdidas del transformador son: – Pérdidas Joule del devanado primario

PJ 1 – Pérdidas del hierro

R1I 12

E12 RFe

PFe

2 RFe IFe

– Pérdidas Joule del devanado secundario

PJ 2

R 2I 22

• Utilizando el circuito equivalente aproximado, dichas pérdidas se concentran en: – Pérdidas Joule en los devanados

Pcc

RccI 2'2

– Pérdidas del hierro

PFe

U2 RFe

RFeIFe2

4.2.6 Rendimiento del transformador Rendimiento • El rendimiento se define como el cociente entre la potencia cedida y la absorbida:

P2 P1

h

U 2 I2 cosj2 U1I1 cosj1

• En función de la potencia cedida por el secundario y las pérdidas:

h

P2

P2

P1

P2 PFe

Pcc

• Definición de índice de carga:

I2

S2

I2n

Sn

c

• Se puede obtener una expresión aproximada si se supone:

U2

U2n

P2

U2 I2 cosj2

U2ncI2n cosj2

cSn cosj2 h

cS cosj n

'2

2 '2

2

2 2

4.2.6 Rendimiento del transformador Pcc Rcc I2 Rccc I2n c cSn cosj2 Rendimiento P ccn

PFe

c P

4.2.7 Regulación de tensión Caída de tensión • Transformador en vacío: si se alimenta a tensión nominal la tensión secundaria es la nominal: U2n • Transformador en carga: si se alimenta a tensión nominal la tensión secundaria no es la nominal: U2c • Definición de caída de tensión

U

U2n

U2c

• Regulación de tensión: expresión de la caída de tensión en por unidad:

ec

U2 n U2n

U 2c

U1n

U'2 c

U1n

4.2.7 Regulación de tensión Cálculo aproximado • Expresión aproximada de la regulación de tensión utilizando el circuito equivalente aproximado:

U1 U1

jXccI´2

D

f

U

C

AB

BC CD

AB

BC

'

DU U´2

jXccI´2 B

RccI´2

AB

Rcc I2 cosj

cRcc I1n cosj

BC

X cc I2' sinj

cXcc I1n sin j

f

RccI´2

A

f

I´2

U´2 U U

cI1n (Rcc cosj

X cc sinj)

ec

4.2.7 Regulación de tensión ceccCálculo cos(jcc j) aproximado U U1n

cI1nZcc cos(jcc

j)

4.2.7 Regulación de tensión Efecto Ferranti • El ángulo f se refiere al ángulo de la impedancia de carga: – Positivo para carga inductiva – Negativo para carga capacitiva • Para cargas capacitivas es posible que:

jcc

j

p 2

cos(jcc

j)

0

ec

0

• Significado: la tensión en el secundario en carga es mayor que la tensión de vacío • A este fenómeno se le denomina efecto Ferranti

U1

I´2

jXccI´2

f

RccI´2 U´2

4.2.8 Placa de características • Placa dispuesta en la cuba del transformador que contiene Información técnica:

4.2.8 Datos de catálogo • Schneider Electric:

4.2.8 Datos de catálogo • ABB:

4.2.8 Datos de catálogo • Otros fabricantes PERDIDAS

Lo KVA

100 0

P % de in

1.6

Po(W)

Uz 1 7 8 0

Litros Pcu (W)

15

4.4

80

30

3.6

135

515

45

3.5

180

710

75

3.0

265

1090

112.5

2.6

365

1540

150

2.4

450

1960

225

2.1

615

2890

300

2.0

765

3675

400

1.9

930

4730

500

1.7

1090

5780

630

1.6

1285

7140

800

1.6

1520

8900

310

Peso Kg. 11100

MEDIDAS (mm)

tota l ( W ) 39 0 65 0 89 0 135 5

3505

%

4440 5660

3.0

6870

3.0

8425

3.0

10420

3.5

12880

3.5 4.0 4.0 4.5

190 5

4.5

241 0

5.0

5.0

5.0

5.0

d e aceit e

416

5 3

A

470

Aprox .

540

200

700

580

280

790

760

340

870

440

1100

540

1140

668

1360

16 0

795

1020

980

1160

17 5

1180

1580

21 6

1500

1760

1650

1740

28 0

2000

1940

2500

2130

10 0 12 0

35 8

B

1170

C

1230 8 9 0

1270

590

1300

600

8 9 0

13500

600

1450

620

1600

740

8 9 0 9 4 0

770 1080 970 1100

9 8 0

1270

1 1 1 0

1470

1470

1520