Los transformadores., Guías, Proyectos, Investigaciones de Electrónica

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SEGUNDO INFORME DE ELECTRICIDAD:

Miguel Jiménez

Grado en Ingeniería Aeroespacial

•ÍNDICE•

1. Principios Básicos de Funcionamiento de los Transformadores.

2. Principios Básicos Constructivos de los Transformadores.

3. Pérdidas en el hierro y perdidas en el cobre.

a. Disipación del calentamiento.

4. Circuitos equivalentes (transformadores) y sus parámetros.

5. Ensayos para la determinación del circuito equivalente.

a. Intensidad de vacío y tensión de cortocircuito.

6. Potencia nominal, tipos de servicio, índice de carga y rendimiento.

7. Clasificación general de los transformadores. Análisis cuantitativos.

8. Índice horario en un transformador trifásico.

9. Asociación en paralelo de los transformadores

10.Características especiales de los autotransformadores

11.Características específicas de los transformadores de medida. Tipos y

sus aplicaciones.

12.Bibliografía.

La fórmula sería la siguiente: m = N (^) p Ns

v 1 v 2 Si conocemos la relación entre el número de vueltas del bobinado primario y del secundario, podremos conocer la relación de transformación (m). 2.Principios Básicos Constructivos de los Transformadores

• Devanadores: Como hemos hablado antes, los transformadores están compuestos por devanados que a su vez están formados por una bobina primaria y otra secundaria (en algunos casos se puede encontrar una tercera bobina). Los conductores son normalmente de cobre electrolítica, aislados con esmaltes y cubiertos con cintas de algodón o papel especial, eventualmente se usan conductores de aluminio. De acuerdo con la clase de aislamiento podemos encontrar:
• Clase A – Límite 105°C
• Clase E – Límite 120°C
• Clase B – Límite 130°C
• Clase F – Límite 155°C
• Clase H – Límite 180°C
• El núcleo: El núcleo magnético está formado por laminaciones de acero que tienen pequeños porcentajes de silicio (alrededor del 4%) y que se denominan “laminaciones magnéticas”, estas laminaciones tienen la propiedad de tener pérdidas relativamente bajas por efecto de histéresis y de corrientes circulares. Están formados por un conjunto de laminaciones acomodadas en la forma y dimensiones requeridas. La razón de usar laminaciones de acero al silicio en los núcleos de las máquinas eléctricas, es que el silicio aumenta la resistividad del material y entonces hace disminuir la magnitud de las corrientes parásitas o circulantes y en consecuencia las pérdidas por este proceso. Tipos de transformadores de acuerdo al núcleo:
• Tipo núcleo: cuando el circuito magnético toma la forma de un anillo único por dos o más grupos de bobinas primarias y secundarias distribuidas alrededor de la periferia del anillo. Los devanados pueden colocarse de varias formas en el núcleo.

• Tipo acorazado: cuando las bobinas del primario y secundario toman la forma de un anillo común que está rodeado por dos o más anillos de material magnético distribuidos alrededor de su periferia.
• Enfriamiento: Los transformadores deben tener sistemas de enfriamiento. Los radiadores deben ser fácilmente desmontables para las operaciones de reparación y limpieza, deben conectarse a la cuba del transformador mediante bridas y válvulas de exclusión y deben ser previstos para el mismo grado de vacío que la cuba. Cada radiador debe estar provisto de un cáncamo, de un tapón inferior para descargar el aceite y de un tapón superior para el escape del aire. Los radiadores deben de ser proyectados de modo de soportar sin daño vibraciones e impedir acumulación de sedimentos. Además, deben construirse de forma que eviten el depósito de agua en las superficies externas que permiten la descarga total del aceite, e impida la acumulación de burbujas de gas durante el relleno de la cuba. El número de radiadores debe ser tal que sea posible el funcionamiento de los transformadores al 80% de la carga nominal con un radiador fuera de servicio. Los radiadores serán galvanizados por inmersión en caliente.
• Aislamiento: Debido a que las diferentes partes eléctricas de un transformador se encuentran a distintas tensiones, es necesario aislarlas entre sí para evitar la aparición de arcos eléctricos y consecuente degradación de los componentes. Existen varios tipos de aislamiento en un mismo transformador.
• Aislamiento entre arrollamiento y núcleo - En transformadores de alta tensión suele ser una lámina de papel impregnada en aceite mineral.
• Aislamiento entre distintos arrollamientos - En transformadores de alta tensión suele ser una lámina de papel impregnada en aceite mineral.
• Aislamiento entre espiras no consecutivas de un mismo arrollamiento - Dos espiras diferentes de un transformador tienen distintos niveles de tensión y deben ser aisladas. En transformadores de alta tensión puede ser una lámina de papel impregnada en aceite mineral o una capa de laca sobre el cobre.
• Aislamiento entre espiras consecutivas de un mismo arrollamiento - Incluso dos espiras consecutivas tienen distintos niveles de tensión y deben ser aisladas entre sí. Una fina capa de laca sobre el cobre suele hacer esta función. 3.Perdidas en el hierro y en el cobre. Aunque son máquinas muy eficientes, en los transformadores existen pérdidas de diversos tipos. Considerar estas pérdidas supone al mismo tiempo hablar de un rendimiento. Al tratarse de una máquina estática, no existen pérdidas de potencia de origen mecánico en un transformador y éstas se reducen a las de hierro del circuito magnético y las del cobre de los bobinados.

a. Disipación del calor.

Aun cuando el aire es un muy mal conductor del calor, todo cuerpo caliente sumergido en una atmósfera fría creará corrientes naturales de convección que ayudaran materialmente a la refrigeración. La cantidad de calor disipada por la convección natural del aire es del mismo orden de magnitud que la disipada por radiación, para diferencias de temperatura como las existentes ordinariamente en la maquinaria eléctrica. Sin embargo, utilizando corrientes forzadas de aire u otros gases, o utilizando fluidos tales como el aceite y el agua que tienen una capacidad calorífica (en volumen) mucho mayor que el aire, puede incrementarse mucho la disipación de calor. Una función secundaria del líquido aislador es servir como disipador del calor. Esto es de particular importancia en los transformadores, donde el calentamiento localizado de las bobinas y el núcleo suelen ser severas. La ayuda del aceite está en la eliminación del calor de estas áreas y distribución de energía térmica sobre una masa generalmente grande de aceite y el tanque del dispositivo. El calor del aceite se puede entonces transferir mediante la conducción, la convección, y la radiación al ambiente circundante. Para asegurarse de que un aceite dado se realice satisfactoriamente en cuanto a la disipación de calor, varias especificaciones se ponen en el aceite las que se basan sobre ciertos factores que influyen en la capacidad de disipar calor sobre una amplia gama de condiciones de funcionamiento posibles. Estos factores incluyen propiedades tales como: viscosidad, punto de congelación, y punto de inflamación. 4.Circuitos equivalentes (transformadores) y sus parámetros: Para facilitar más la labor en el cálculo de tensiones y corrientes cuando los transformadores están involucrados, se suele recurrir a su sustitución por un circuito equivalente que incorpore todos los fenómenos físicos que se producen en un transformador real (imagen de un ejemplo de circuito de transformador real). La gran ventaja del uso de circuitos equivalentes de máquinas eléctricas reside en poder aplicar toda la potencia del cálculo de teoría de circuitos permitiendo conocer la respuesta de una máquina frente a unas determinadas condiciones de funcionamiento.

Los parámetros que encontramos en la primera imagen tienen un significado físico muy concreto:

• R1, R1, X1 y X2 son los parámetros de los devanadores; R 1 y R 2 representan las pérdidas por efecto Joule de los dos arrollamientos del transformador, y X 1 y X 2 representan los flujos de dispersión de cada arrollamiento.
• La relación E 1 /E 2 es la relación entre el número de espiras de los lados primario y secundario del transformador, o lo que es igual la relación de transformación entre tensiones y corrientes nominales de ambos lados. La obtención del circuito equivalente del transformador se inicia reduciendo ambos devanados al mismo número de espiras. En el transformador real se tiene: E 1 E 2

N 1

N 2

= m → E 2 =

E 1

m En el transformador equivalente se tiene que al ser N’ 2 = N 1 E 1 E' (^) 2

N 1

N ' 2

Luego la relación entre E 2 y E’ 2 es: E’ 2 = m∙ E 2 Análogamente se puede obtener que: V’ 2 = m ∙ V 2 Además, para que este nuevo transformador sea equivalente al original las potencias activa y reactiva y, en consecuencia la potencia aparente, deben conservarse. Como el secundario del transformador equivalente debe consumir la misma potencia aparente que el secundario del transformador real se tiene V 2 ∙ I2 = V’ 2 ∙ I’ 2 De donde se puede obtener la relación entre la corriente real del secundario del transformador y la corriente reducida del secundario del transformador Procediendo de forma análoga para las potencia activa se tiene Luego la relación entre la resistencia real y la reducida será

Si se sigue el mismo proceso dejando inalterado el secundario y tomando el número de espiras del primario N ′1= N 2 se obtiene el circuito equivalente del transformador exacto reducido al secundario (figura 4). donde V ′1= V 1/ m , R ′1= R 1/ m^2 , X ′1= X 1/ m^2 , I ′1= m ⋅ I 1 , I ′0= m ⋅ I 0 , R ′ Fe = RFe/m^2 , X ′ μ = Xμ/m^2. En la práctica, debido al pequeño valor de I 0 frente a las corrientes I 1 e I ′2, se emplea el circuito equivalente aproximado del transformador. Este circuito se obtiene trasladando la rama en paralelo por la que circula la corriente de vacío a los bornes de la entrada del primario tal y como se muestra en la figura 5.

El circuito simplificado permite resolver multitud de problemas prácticos tales como el cálculo de la caída de tensión, el rendimiento del transformador, análisis de estabilidad, cortocircuitos, etc., sin incurrir en grandes errores. 5.Ensayos para la determinación del circuito equivalente.

a.Intensidad de vacío y tensión de corriente (Comentado dentro de

cada ensayo respectivo)

Los ensayos de un transformador se definen como las diferentes pruebas que se llevan a cabo para verificar el comportamiento de la máquina. Su realización es difícil en la práctica principalmente por dos motivos:  Los ensayos del transformador requieren una gran cantidad de energía.  No se poseen cargas los suficientemente elevadas para realizar ensayos que modelen situaciones reales. A pesar de estos inconvenientes, el comportamiento de un transformador puede predecirse con una buena precisión y exactitud, bajo cualquier condición de trabajo, si se conocen los parámetros de su circuito equivalente. La determinación de los parámetros del circuito equivalente del transformador se obtiene con unos ensayos bastante simples que requieren un consumo de energía relativamente bajo ya que se realizan sin carga real. Los ensayos fundamentales que se utilizan en la práctica para determinar los parámetros del circuito equivalente del transformador son dos: el ensayo de vacío y el ensayo de cortocircuito. Sin embargo, a veces, se desconoce la polaridad relativa de los terminales del secundario respecto al primario y, por tanto, antes de realizar los ensayos de vacío y cortocircuito, se requiere de un ensayo adicional para determinar la polaridad de los bornes secundarios respecto a los bornes primarios.

• Determinación de la polaridad de los terminales secundarios respecto a los terminales de primario: El ensayo de determinación de la polaridad de los terminales secundarios del transformador respecto a los terminales primarios se inicia señalando los bornes del primario con A y A'. A continuación, se unen a dos terminales del secundario y se conectan tres voltímetros (de tensión alterna) según se muestra en la figura 1.

De este modo, la potencia absorbida por el transformador, que es la que se mide en el ensayo de vacío con el vatímetro, coincide prácticamente con la potencia de pérdidas del hierro Como el valor de tensión del primario, V 10 , la corriente de vacío, I 0 y las pérdidas en vacío, P 0 son conocidas, se puede obtener el factor de potencia en vacío, cos φ 0 del transformador y el ángulo de desfase entre la corriente y la tensión del transformador en vacío, φ 0 Como: Y finalmente el valor de la resistencia de la rama paralelo, RFe y la reactancia magnetizantes, Xμμ tomarán los valores de La relación de transformación se obtendrá dividiendo la tensión del primero entre la tensión del segundo.

• Ensayo de cortocircuito: El ensayo de cortocircuito del transformador permite obtener los parámetros de la rama serie del circuito equivalente del transformador, R 1 , R 2 , Xμ 1 y Xμ 2. El ensayo de cortocircuito se realiza a tensión reducida alimentando el transformador por el lado de alta tensión hasta que circule la corriente nominal por ellos. Los devanados de baja tensión se cortocircuitan en este ensayo. Las medidas que se deben realizar en el ensayo de cortocircuito son la tensión aplicada al primario o tensión de cortocircuito, Vcc , la corriente de cortocircuito, Icc y la potencia de cortocircuito, Pcc. El esquema eléctrico y la disposición de los equipos de medida para el ensayo de cortocircuito se muestran en la figura 3.

Dado que la tensión aplicada en este ensayo varía entre el 3 y el 10% de la tensión nominal del devanado de alta tensión, el flujo en el núcleo posee un valor pequeño. Como consecuencia, las pérdidas en el hierro del transformador son despreciables, siendo la potencia absorbida en el ensayo de cortocircuito del transformador prácticamente iguales a las pérdidas en el cobre. La potencia absorbida en cortocircuito por el transformador es Y dado que se conocen los valores de Pcc , Vcc y Icc se puede obtener el valor del factor de potencia y el ángulo de desfase entre la tensión y corriente del transformador en cortocircuito La caída de tensión resistiva e inductiva son respectivamente Por tanto el valor de la resistencia de cortocircuito, Rcc, e impedancia de cortocircuito, Xcc es El ensayo de cortocircuito nos permite obtener la resistencia e inductancia total del transformador, pero no como están distribuidos sus valores entre el primario y el secundario ya que Para poder determinar los valores de R 1 y R ′ 2 es preciso aplicar corriente continua a los devanados para obtener el valor de R 1 y de R 2 aplicando la ley de Ohm.

C =

I 1

I (^) 1 n

I 2

I 2 n Por otro lado, el rendimiento se calcula como:

7. Clasificación general de los transformadores. Análisis cuantitativos. Los transformadores están clasificados en:

• Transformadores de potencia: Se utilizan para sub-transmisión y transmisión de energía eléctrica en alta y media tensión. Son de aplicación en subestaciones transformadoras, centrales de generación y en grandes usuarios. Se construyen en potencias normalizadas desde 1. hasta 20 MVA, en tensiones de 13.2, 33, 66 y 132 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.
• Transformadores de distribución: Se denomina transformadores de distribución, generalmente los transformadores de potencias iguales o inferiores a 500 kVA y de tensiones iguales o inferiores a 67 000 V, tanto monofásicos como trifásicos. Aunque la mayoría de tales unidades están proyectadas para montaje sobre postes, algunos de los tamaños de potencia superiores, por encima de las clases de 18 kV, se construyen para montaje en estaciones o en plataformas. Las aplicaciones típicas son para alimentar a granjas, residencias, edificios o almacenes públicos, talleres y centros comerciales. A su vez estos se clasifican en:
• Transformadores secos: Los transformadores de distribución de este rango se utilizan para reducir las tensiones de distribución suministradas por las compañías eléctricas a niveles de baja tensión para la distribución de potencia principalmente en áreas metropolitanas

(edificios públicos, oficinas, subestaciones de distribución) y para aplicaciones industriales. Los transformadores secos son ideales para estas aplicaciones porque pueden ser ubicados cerca del punto de utilización de la potencia lo cual permitirá optimizar el sistema de diseño minimizando los circuitos de baja tensión y alta intensidad con los correspondientes ahorros en pérdidas y conexiones de baja tensión. Los transformadores secos son medioambientalmente seguros, proporcionan un excelente comportamiento a los cortocircuitos y robustez mecánica, sin peligro de fugas de ningún tipo de líquidos, sin peligro de fuego o explosión y son apropiados para aplicaciones interiores o exteriores. En muchos países es obligatorio instalar transformadores secos cuando las subestaciones están situadas en edificios públicos. Los transformadores de tipo seco encapsulado al vacío están diseñados a prueba de humedad y son adecuados para funcionar en ambientes húmedos o muy contaminados. Son los transformadores idóneos para funcionar en ambientes que presenten una humedad superior al 95 % y en temperaturas por debajo de los -25 °C.

• Transformadores húmedos: Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. En este tipo de transformador el circuito magnético y los arrollamientos están sumergidos en un líquido aislante como el aceite. Este puede ser de tipo mineral, de silicona, éster o vegetal. La elección del aceite está vinculada al tipo de instalación y a la necesidad específica del cliente en caso de que se requiera asegurar garantías particulares en cuanto a impacto medioambiental o seguridad en caso de incendio. La principal desventaja, es la relativamente baja temperatura de inflamación del aceite, y por tanto el riesgo de incendio con desprendimiento elevado de humos. Según la norma UNE, el valor mínimo admisible de la temperatura de inflamación del aceite para transformadores, es de 140 ºC. Por este motivo (también por razones medioambientales), debajo de cada transformador, debe disponerse un pozo o depósito colector, de capacidad suficiente para la totalidad del aceite del transformador, a fin de que, en caso de fuga de aceite, por ejemplo, por fisuras o rotura en la caja del transformador, el aceite se colecte y se recoja en dicho depósito.
• Transformadores herméticos de llenado integral: Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, siendo muy útiles en lugares donde los espacios son reducidos. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. Su principal característica es que al no llevar tanque de expansión de aceite no necesita mantenimiento, siendo esta construcción más compacta que la tradicional. Se

es suministrar una muestra de voltaje del sistema de potencia, para que se mida con instrumentos incorporados. Además, puesto que el objetivo principal es el muestreo de voltaje deberá ser particularmente preciso como para no distorsionar los valores verdaderos. Se pueden conseguir transformadores de potencial de varios niveles de precisión, dependiendo de qué tan precisas deban ser sus lecturas, para cada aplicación especial.

8. Índice horario en un transformador trifásico: En función de las conexiones en los devanados de un transformador, pueden aparecer diferencias de fase entre las tensiones de línea del primario y secundario. En el caso de los transformadores, el desfase entre las tensiones de línea del primario y del secundario no se mide en grados sino en múltiplos de 2 ⋅ π / 12 radianes, lo que permite identificarlos con los que forman entre sí las agujas de un reloj cuando marcan una hora exacta, dando lugar al llamado índice horario del transformador. El proceso para determinar el índice horario se muestra a continuación para la siguiente conexión figura 1: En primer lugar, se representan las fuerzas electromotrices simples del devanado primario, situando el terminal A en la parte superior del diagrama coincidiendo con las doce en un reloj imaginario superpuesto con el esquema vectorial figura 2: El segundo paso es representar las fuerzas electromotrices simples del devanado secundario (figura 3), teniendo en cuenta que los devanados primario y secundario situados en la misma columna producen fuerzas electromotrices en fase para bornes homólogos:

Finalmente se superponen ambos diagramas para obtener el índice horario (figura 4): El índice horario es el ángulo que forman dos vectores correspondientes a la misma columna y, para este caso es 5 según la figura 5.

9. Asociación en paralelo de los transformadores. En el caso de que se trate de transformadores trifásicos conectados en paralelo, no sólo es necesario garantizar que los valores eficaces de las tensiones asignadas primaria y secundaria (de línea) de todos los transformadores sean iguales, sino también sus argumentos. Esto indica que las condiciones necesarias para que varios transformadores trifásicos se puedan conectar en paralelo son que tengan la misma relación de transformación de tensiones mT y el mismo índice horario. El hecho de que todos los transformadores puestos en paralelo tengan iguales tensiones primaria y secundaria significa que, cuando se reducen los secundarios al primario, en todos los transformadores en paralelo se produce siempre la misma caída de tensión. De esto se puede deducir (como se demuestra en el siguiente apartado de este texto) que para m transformadores en paralelo se verifica la siguiente relación: CA ⋅ εAcc=CB ⋅ εBcc=...=CM ⋅ εMcc Por lo tanto, interesa que las tensiones relativas de cortocircuito εcc de todos los cc de todos los transformadores sean iguales para que queden igualmente cargados y se verifique siempre que: CA=CB=...=CM