V 1 I 1

Máquinas Eléctricas. Tema 3.

3.1.1.- Aspectos constructivos: circuito magnético I.

I 2 V 2 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 4 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 3 Montaje chapas núcleo 2 1 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.

600-5000 V 4,5 - 60 kV 3.1.2.- Aspectos constructivos: devanados y aislamientos I.

> 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 La forma de los devanados es normalmente circular 4

Máquinas Eléctricas. Tema 3.

Estructura devanados: trafo monofásico



3.1.2.- Aspectos constructivos: devanados y aislamientos II.

Primario Secundario Núcleo con 2 columnas Primario Aislante Secundario Núcleo con 3 columnas Primario Aislante Concéntrico Aislante Alternado Secundario 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 6 7 8 9 10 1 Núcleo 1’ Prensaculatas 2 3 Devanados Cuba 4 Aletas refrigeración 5 Aceite Depósito expansión Aisladores (BT y AT) Junta Conexiones Nivel aceite 11 - 12 Termómetro 13 - 14 15 Grifo de vaciado Cambio tensión 16 17 Relé Buchholz Cáncamos transporte 18 19 20 Desecador aire Tapón llenado Puesta a tierra 7

Máquinas Eléctricas. Tema 3.

3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos I.

Catálogos comerciales Transformadores en baño de aceite 8

OFAF

Máquinas Eléctricas. Tema 3.

3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos II.

Catálogos comerciales 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 N 2 10 MVA Sellado con N 2 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



(t) I 0 (t) U 1 (t) e 1 (t) R devanados=0 I 2 (t)=0 e 2 (t) U 2 (t) LTK primario: U

1

( t )



e

1

( t )

 0

Ley de Lenz: U

1

( t )

 

e

1

( t )



N

1 

d



( t ) dt El flujo es senoidal



( t )

 

m



Sen



t U

1

( t )



U m



Cos



t



N

1  

m

  

Cos



t U

1

ef



E

1

ef



Fem eficaz

1 2  2 

f



N

1  

m E

1

ef

 4

,

44  4

,

44 

f



f



N

1 

N

1 

S



B m

 

m Tensión eficaz U m Repitiendo el proceso para el secundario



N

1  2   

m Tensión máxima e

2

( t )

 

N

2 

d



( t ) dt La tensión aplicada determina el flujo máximo de la máquina r t



E

1

ef E

2

ef



N

1

N

2 

U

1

ef U

2

( vacío ) E

2

ef

 4

,

44 

f



N

2 

S



B m 21

Máquinas Eléctricas. Tema 3.

3.2.- Principio de funcionamiento: Relación entre corrientes.



(t) Considerando que la conversión se realiza prácticamente sin pérdidas: Pot entrada



Potencia salida U 1 (t) I 1 (t) P 1 P=0 I 2 (t) P 2 U 2 (t) Considerando que la tensión del secundario en carga es la misma que en vacío: U 2vacío



U 2carga P 1



P 2 : U 1 *I 1 =U 2 *I 2 r t



U U 2 1



I 2 I 1 I I 1 2



1 r t 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



(t) U 1 (t) U 1 (t) Representación simplificada del flujo de dispersión (primario) I 0 (t) I 2 (t)=0 I 0 Resistencia interna (t) R 1 Flujo de dispersión X d1 e 1 (t)



(t) U 2 (t) I 2 (t)=0 U 2 (t) En vacío no circula corriente por el secundario y, por tanto, no produce flujo de dispersión En serie con el primario se colocará una bobina que será la que genere el flujo de dispersión U 1



R 1



I 0



jX d 1



I 0



e 1 23

Máquinas Eléctricas. Tema 3.

3.2.4. El transformador en carga I.



(t) U 1 (t) I 1 Resistencia interna (t) R 1 Flujo de dispersión X d1 e 1 (t) Flujo de dispersión X d2 Resistencia interna R 2 e 2 (t) I 2 (t) U 2 (t) El secundario del transformador presentará una resistencia interna y una reactancia de dispersión como el primario Se ha invertido el sentido de I 2 (t) para que en el diagrama fasorial I 1 (t) e I 2 (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 U 1 24

Máquinas Eléctricas. Tema 3.

3.2.4. El transformador en carga II.

I 0 (t)+I 2 ’(t) U 1 (t) Resistencia interna R 1 Flujo de dispersión X d1 e 1 (t)



(t) Flujo de dispersión X d2 Resistencia interna R 2 e 2 (t) I 2 (t) U 2 (t) Las caídas de tensión en R 1 y X d1 son muy pequeñas, por tanto, U 1



E 1 Al cerrarse el secundario circulará por él una corriente I 2 (t) que creará una nueva fuerza magnetomotriz N 2 *I 2 (t) Nueva corriente primario I

1 

I

0 

I

2

' I

2

'

 

N

2

N

1 

I

2  

I

2

r t La nueva fmm NO podrá alterar el flujo, ya que si así fuera se modificaría E 1 que está fijada por U 1 Esto sólo es posible si en el primario aparece una corriente I 2 ’(t) que verifique: Flujo y fmm son iguales que en vacío (los fija U 1 (t)) N

1 

I

0 

N

1 

I

2

'



N

2 

I

2 

N

1 

I

0

N 1



I 2 '

 

N 2



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 al primario El problema se resuelve mediante la reducción del secundario al primario Magnitudes reducidas e

2

'



e

2 

r t U

2

'



U

2 

r t Z

2 

U

2

I

2 

I U r

2

t

2

' '



r t



U I

2 2

' '

 1

r t

2 

Z

2

'

 1

r t

2

S

2 

U

2 

I

2

S

2 

U

2

r t '



I

2

'



r t



U

2

'



I

2

'



S

2

' Z 2 '



Z 2



r t 2 U R

2

'



U R

2 

r t U X

2

'



U X

2 

r t I

2

'



I r t

2

Se mantiene la potencia aparente, la potencia activa y reactiva, los ángulos, las pérdidas y el rendimiento 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 I 1 (t) R 1 X d1 X d2 ’ U 1 (t) I fe R fe I 0 I



X



I 2 ’(t) R 2 ’ U 2 ’(t) 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.

U 1 (t) A I 0 (t) W



(t) Resultados ensayo:



Pérdidas en el hierro Corriente de vacío Parámetros circuito Condiciones ensayo: I 2 (t)=0 Secundario en circuito abierto U 2 (t) Tensión y frecuencia nominal W A R fe , X



29

Máquinas Eléctricas. Tema 3.

3.3.2. Ensayo de cortocircuito I.

30

Máquinas Eléctricas. Tema 3.

3.3.2.- El transformador en el ensayo de cortocircuito II.

I 1n (t) R 1 X d1 X d2 ’ Al ser el flujo muy bajo respecto al nominal I 0 es despreciable U cc (t) I fe R fe I 0 I



X



I 2 ’(t) R 2 ’ I 1n (t)=I 2 ’(t) R CC U cc (t) X cc R CC =R 1 +R 2 ’ X CC =X 1 +X 2 ’ 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.

I 1n (t)=I 2 ’(t) R CC X cc U cc (t) R CC =R 1 +R 2 ’ U Xcc U cc



CC X CC =X 1 +X 2 ’ I 1 =I 2 ’ U Rcc Diagrama fasorial

 

cc



Rcc Xcc

  

U cc U cc U 1 n



U U Rcc 1 n U U Xcc 1 n



R



I



cc 1 n

 

I 1 n Z U 1 n cc I 1 n



R U 1 n



I 1 n



X U 1 n cc jX cc cc

 

I 1 n P CC son las pérdidas totales en el Cu Las de Fe son despreciables en corto Tensiones relativas de cortocircuito: se expresan porcentualmente

 

cc



Xcc

5

%

   10

% Rcc U cc U Xcc U Rcc Cos



cc

   

cc



U cc U cc



U P cc cc



I 1 n



Cos



cc



Sen



cc Z cc



I 1 n Para un trafo de potencia aparente S n I 1 n 2



S n Z cc 32