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Máquinas Eléctricas. Tema 3. Tema 3.- Transformadores. 3.1.- Introducción. 3.2.- Principio de funcionamiento. 3.3.- Ensayos de los transformadores. Basado en apuntes del Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica de Computadores y Sistemas de la Universidad de Oviedo 1 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.- Introducción. Transformador elemental Se utilizan en redes eléctricas para convertir un sistema de tensiones (mono - trifásico) en otro de igual Flujo magnético I1 I2 V1 V2 frecuencia y > o < tensión La conversión se realiza prácticamente sin pérdidas PotenciaentradaPotenciasalida Secundario Primario Núcleo de chapa magnética aislada Transformador elevador: V2>V1, I2<I1 Las intensidades son inversamente proporcionales a las tensiones en cada lado Transformador reductor: V2<V1, I2>I1 Los valores nominales que definen a un transformador son: Potencia aparente (S), Tensión (U), I (corriente) y frecuencia (f) 2 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.1.- Aspectos constructivos: circuito magnético I. I1 I2 V2 V1 En la construcción del núcleo se utilizan chapas de acero aleadas con Silicio de muy bajo espesor (0,3 mm) aprox. El Si incrementa la resistividad del material y reduce las corrientes parásitas La chapa se aísla mediante un tratamiento químico (Carlite) y se obtiene por LAMINACIÓN EN FRÍO: aumenta la permeabilidad. Mediante este procedimiento se obtienen factores de relleno del 95-98% 5 4 3 2 1 Montaje chapas núcleo El núcleo puede tener sección cuadrada. Pero es más frecuente aproximarlo a la circular Corte a 90º Corte a 45º 3 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.2.- Aspectos constructivos: devanados y aislamientos I. 600-5000 V 4,5 - 60 kV Diferentes formas constructivas de devanados según tensión y potencia Los conductores de los devanados están aislados entre sí: En transformadores de baja potencia y tensión se utilizan hilos esmaltados. En máquinas grandes se emplean pletinas rectangulares encintadas con papel impregnado en aceite El aislamiento entre devanados se realiza dejando espacios de aire o de aceite entre ellos > 60 kV La forma de los devanados es normalmente circular 4 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.2.- Aspectos constructivos: devanados y aislamientos II. Primario Aislante Primario Estructura devanados: trafo monofásico Secundario Secundario Núcleo con 2 columnas Núcleo con 3 columnas Aislante Primario Secundario Primario Secundario Aislante Concéntrico Alternado 5 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.2.- Aspectos constructivos: devanados y aislamientos III. Catálogos comerciales Conformado conductores devanados Catálogos comerciales Fabricación núcleo: chapas magnéticas 6 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.3.- Aspectos constructivos: refrigeración. Transformadores de potencia medida... E. Ras Oliva 1 Núcleo 1’ Prensaculatas 2 Devanados 3 Cuba 4 Aletas refrigeración 5 Aceite 6 Depósito expansión 7 Aisladores (BT y AT) 8 Junta 9 Conexiones 10 Nivel aceite 11 - 12 Termómetro 13 - 14 Grifo de vaciado 15 Cambio tensión 16 Relé Buchholz 17 Cáncamos transporte 18 Desecador aire 19 Tapón llenado 20 Puesta a tierra 7 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos I. Catálogos comerciales Transformadores en baño de aceite 8 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos II. Catálogos comerciales OFAF Transformador seco 9 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos III. 5000 kVA Baño de aceite 2500 kVA Baño de aceite 1250 kVA Baño de aceite Catálogos comerciales 10 MVA Sellado con N2 10 MVA Sellado con N2 10 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos IV. Catálogos comerciales Seco En aceite Catálogos comerciales Secciones de transformadores en aceite y secos 11 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos IV. 12 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos IV. 13 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos IV. 14 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos IV. 15 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos IV. 16 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos IV. 17 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos IV. 18 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos IV. 19 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos IV. Banco trifásico de tres transformadores monofásicos con uno de reserva. 20 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.2.- Principio de funcionamiento (vacío). Transformador en vacío I0(t) U1(t) LTK primario: (t) Ley de Lenz: I2(t)=0 e1(t) e2(t) U1(t ) e1(t ) N1 U2(t) El flujo es senoidal R devanados=0 U1(t ) e1(t ) 0 d(t ) dt (t ) m Sent U1(t ) Um Cos t N1 m Cos t U1ef E1ef Fem eficaz 1 2f N1 m 4,44 f N1 m 2 E1ef 4,44 f N1 S Bm La tensión aplicada determina el flujo máximo de la máquina rt Tensión eficaz Um N1 2f m Repitiendo el proceso para el secundario E1ef U1ef N 1 E2 ef N2 U2( vacío) Tensión máxima e 2 (t ) N2 d(t ) dt E2ef 4,44 f N2 S Bm 21 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.2.- Principio de funcionamiento: Relación entre corrientes. (t) Considerando que la conversión se realiza prácticamente sin pérdidas: PotentradaPotenciasalida I1(t) U1(t) P1 I2(t) P2 P=0 U2(t) Considerando que la tensión del secundario en carga es la misma que en vacío: U2vacíoU2carga P1 P2: U1*I1=U2*I2 U I rt 1 2 U2 I1 I1 1 I2 rt Las relaciones de tensiones y corrientes son INVERSAS El transformador no modifica la potencia que se transfiere, tan solo altera la relación entre tensiones y corrientes 22 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.2.2.- Flujo de dispersión. Flujo de dispersión: se cierra por el aire Representación simplificada del flujo de dispersión (primario) (t) I0(t) I2(t)=0 U2(t) U1(t) Resistencia interna I0(t) U1(t) R1 Flujo de dispersión Xd1 e1(t) En vacío no circula corriente por el secundario y, por tanto, no produce flujo de dispersión (t) I2(t)=0 U2(t) En serie con el primario se colocará una bobina que será la que genere el flujo de dispersión U1 R1 I0 jX d1 I0 e1 23 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.2.4.- El transformador en carga I. Resistencia interna I1(t) U1(t) R1 Flujo de dispersión (t) Xd1 e1(t) El secundario del transformador presentará una resistencia interna y una reactancia de dispersión como el primario Flujo de dispersión Resistencia interna Xd2 R2 e2(t) I2(t) U2(t) Se ha invertido el sentido de I2(t) para que en el diagrama fasorial I1(t) e I2(t) NO APAREZCAN SUPERPUESTAS Las caídas de tensión EN CARGA en las resistencias y reactancias parásitas son muy pequeñas: del 0,2 al 6% de U1 24 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.2.4.- El transformador en carga II. I0(t)+I2’(t) Resistencia Flujo de dispersión interna R1 Xd1 Flujo de Resistencia dispersión interna (t) Xd2 e2(t) e1(t) U1(t) R2 I2(t) U2(t) Las caídas de tensión en R1 y Xd1 son muy pequeñas, por tanto, U1 E1 Al cerrarse el secundario circulará por él una corriente I2(t) que creará una nueva fuerza magnetomotriz N2*I2(t) La nueva fmm NO podrá alterar el flujo, ya que si así fuera se modificaría E1 que está fijada por U1 Nueva corriente primario I1 I0 I2 ' I2 ' Flujo y fmm son iguales que en vacío (los fija U1(t)) N2 I I2 2 N1 rt Esto sólo es posible si en el primario aparece una corriente I2’(t) que verifique: N1 I0 N1 I2 'N2 I2 N1 I0 N1 I 2 ' N2 I 2 25 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.2.6.- Reducción del secundario al primario. Si la relación de transformación es elevada existe una diferencia importante entre las magnitudes primarias y secundarias. La representación vectorial se complica Impedancia cualquiera en el secundario U2 ' r U U ' 1 1 Z 2 2 t 2 2 Z 2 ' 2 I2 I 2 'rt I 2 ' rt rt S 2 U2 I2 El problema se resuelve mediante la reducción del secundario al primario Magnitudes reducidas al primario e 2 ' e 2 rt U2 ' U2 rt Z 2 ' Z 2 rt 2 U ' S 2 2 I 2 'rt U2 'I 2 ' S 2 ' rt Se mantiene la potencia aparente, la potencia activa y reactiva, los ángulos, las pérdidas y el rendimiento UR 2' UR 2 rt UX 2' UX 2 rt I 2' I2 rt 26 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.2.8.- Circuito equivalente. Como el transformador de 3 es de relación unidad y no tiene pérdidas se puede eliminar, conectando el resto de los elementos del circuito I1(t) R1 Xd1 Xd2’ I0 Ife U1(t) Rfe I R 2’ I2’(t) U2’(t) X Circuito equivalente de un transformador real El circuito equivalente permite calcular todas las variables incluidas pérdidas y rendimiento Los elementos del circuito equivalente se obtienen mediante ensayos normalizados Una vez resuelto el circuito equivalente los valores reales se calculan deshaciendo la reducción al primario 27 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.3.- Ensayos de los transformadores. Existen dos ensayos normalizados que permiten obtener las caídas de tensión, pérdidas y parámetros del circuito equivalente del transformador Ensayo de vacío Ensayo de cortocircuito En ambos ensayos se miden tensiones, corrientes y potencias. A partir del resultado de las mediciones es posible estimar las pérdidas y reconstruir el circuito equivalente con todos sus elementos 28 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.3.1.- Ensayo de vacío. (t) A I0(t) Condiciones ensayo: I2(t)=0 W Secundario en circuito abierto U2(t) U1(t) Resultados ensayo: Tensión y frecuencia nominal Pérdidas en el hierro W Corriente de vacío A Parámetros circuito Rfe, X 29 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.3.2.- Ensayo de cortocircuito I. Condiciones ensayo: (t) A I1n(t) Secundario en cortocircuito I2n(t) W U2(t)=0 Ucc(t) Tensión primario muy reducida Corriente nominal I1n, I2n Al ser la tensión del ensayo muy baja habrá muy poco flujo y, por tanto, las pérdidas en el hierro serán despreciables (Pfe=kBm2) Resultados ensayo: Pérdidas en el cobre Parámetros circuito W Rcc=R1+R2 ’ Xcc=X1+X2’ 30 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.3.2.- El transformador en el ensayo de cortocircuito II. I1n(t) Al ser el flujo muy bajo respecto al nominal I0 es R1 Xd1 Xd2’ Ife Ucc(t) Rfe I0 I R 2’ I2’(t) X despreciable I1n(t)=I2’(t) Ucc(t) RCC Xcc RCC=R1+R2’ XCC=X1+X2’ Al estar el secundario en cortocircuito se puede despreciar la rama en paralelo 31 Máquinas Eléctricas. Tema 3. 3.3.2.- El transformador en el ensayo de cortocircuito III. I1n(t)=I2’(t) Ucc(t) RCC Xcc RCC=R1+R2’ XCC=X1+X2’ Ucc R cc I1n jX cc I1n cc Rcc Xcc Ucc I Z cc 1n U1n U1n URcc I R cc 1n U1n U1n U I X cc Xcc 1n U1n U1n Cos cc UXcc Ucc CC I1=I2’ URcc Diagrama fasorial URcc Ucc Coscc UXcc Ucc Sen cc Ucc Z cc I1n PCC son las pérdidas totales en el Cu Las de Fe son despreciables en corto Tensiones relativas de cortocircuito: se expresan porcentualmente cc 5% 10% Xcc Rcc Pcc Ucc I1n Para un trafo de potencia aparente Sn I Z cc 1n Sn 2 cc 32
