TRANSFORMADORES:
SU CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN
Capítulo 3 : TIPO DE PRESTACIÓN
Mg. Claudio Dimenna
Ing. Juan Carlos Stecca
Docentes:
Capítulo 3 - TIPO DE
PRESTACIÓN 2
Datos necesarios para el cálculo
Toda máquina tiene un régimen nominal para el cuál ha sido construida.
De acuerdo a las normas IRAM CEA F 20-99, e IRAM 2900 podemos definir:
Régimen nominal: es el conjunto de las condiciones de funcionamiento para las cuales ha sido construida la máquina
Potencia nominal: Es la potencia que la máquina puede desarrollar sin que las sobre elevaciones de temperatura en sus diversos órganos alcancen o sobrepasen las correspondientes temperaturas límites.
En el cálculo debe partirse de las tensiones de línea en vacío E1 y E2, y de las intensidades de línea a plena carga I1 e I2.
Como la caída de tensión en los transformadores es pequeña, se prescinde de ella a veces y se calcula en base a las diferencias de potencial V1 y V2.
Se suele tomar en vacío una tensión superior a la de plena carga (del orden del 5 %), a efectos de tener en cuenta la caída de
tensión. P.E. 13,2 / 0,4 kV
El porcentaje de caída se dividirá por igual entre primario y secundario.
Sea un transformador trifásico estrella / estrella, de 500 kVA – 6000/220 V
(tensiones de fase), con una caída total del 5 % a plena carga y con cos φ2 = 0,8.
Se considera una caída del 2,5 % en el primario y en el secundario
V V
V V
V
E 6000 5850
100 5 , 6000 2
1 1
1
Si V2 = 231V en knominal
V V V V
E
V 209,15
27 , 27 5850 100
5 , 2 27
, 27 5850
2 2
2
V V
V
2 209 , 15 1 , 05 220
(+5%)
kno min al=V1
V 2=6000V
220 V =27 , 27
E1=V1-ΔV1=1000V-0,025.1000V=975V E2=975V/4,329=225,2V
E1=V1-ΔV1=1000V-0,025.1000V=975V
E2=975V/4,545=214,5V V2=E2-ΔV2=214,5V-0,025.214,5=209,1V
V2=E2- ΔV2=225,2V-0,025.225,2=219,5V k=1000V/220V=4,545
k=1000V/231V=4,329
En la práctica se considerara a la potencia nominal como primaria con tensión primaria constante, aumentando la
tensión secundaria de vacío hasta valores 5 % superiores a los de servicio (231V de fase), para compensar la caída de tensión en
carga. Por ejemplo 13,2/0,4 kV)
V V / 3 3460
6000
A kV
kVA/ 3 6 48
500
V V / 3 133,5
231
A V
VA/ 3 231 1250
500000
•Tensión primaria de fase:
•Corriente primaria de fase:
•Tensión secundaria de fase:
•Corriente secundaria de fase:
Partiendo de los datos de la tensión y la potencia S, se fijan los valores de las tensiones primaria y secundaria: E1 = V1, E2 = V2 y de las intensidades respectivas I1 e I2, sobre las cuales se basan todos los cálculos siguientes
Estos datos, se entienden, por devanado, teniendo en cuenta el sistema de conexión adoptado, esto es: estrella, triángulo o zig-zag.
Tipos de Servicio
Servicio Permanente: es el caracterizado por el funcionamiento
ininterrumpido de la máquina a régimen nominal, durante tiempo ilimitado Servicio Temporario: es el caracterizado por el funcionamiento nominal
durante un lapso determinado y de manera que, en el período de reposo, su temperatura desciende hasta la del medio ambiente.
6 Capítulo 3 - TIPO DE
PRESTACIÓN
Servicio Intermitente: es el caracterizado por el funcionamiento ininterrumpido de la máquina a régimen nominal durante un lapso determinado, seguido de un lapso de reposo, también determinado, durante el cual su temperatura no
desciende hasta la del medio ambiente.
Vfase=2.Vbob.√3/2 Vfase=Vbob .√3
VL=√3.Vfase Vbob= VL /3 Vbob=Vfase /√3 Vbob=√3.Vfase /3
Vfase=2.Vbob.cos30
120 30°
Vbob VL
60°
Tipos de Servicio
Capacidad de Sobrecarga
Un transformador construido para servicio permanente puede suministrar por tiempo indefinido su potencia nominal. No obstante, si se lo somete a servicio temporario, es posible obtener de él potencias superiores a la nominal, sin perjuicio para el transformador.
Lo anterior se observa en la figura siguiente, donde las diversas curvas de sobre elevación, correspondientes a potencias de trabajo superiores a la nominal, pertenecen todas a la misma máquina eléctrica.
8 Capítulo 3 - TIPO DE
PRESTACIÓN
Si esta máquina es obligada a suministrar una potencia superior, la sobreelevación de temperatura será mayor, motivo por el cual el tiempo de permanencia de dicha sobrecarga será menor, y tanto menor cuanto mayor sea la sobrecarga
Curvas de sobre elevación de potencia de
trabajo, para una misma máquina
El rendimiento está dado por:
p P
P
u u
Las pérdidas se pueden expresar por medio de:
1 1
P
up
10 Capítulo 3 - TIPO DE
PRESTACIÓN
La sobreelevación máxima de temperatura (θmax) puede expresarse mediante la siguiente ecuación
Donde:
q: es la potencia calorífica, o calor aportado por las pérdidas P: pérdidas totales
0,86: factor de relación entre las potencias eléctrica y calorífica (1kcal/h
= 1,16 W = 1,16 J/s)
H:coeficiente de emisión de temperatura en kcal/h m2 °C.
S:superficie emisora
H S
W P W
h kcal H
S
h kcal q
max
.
] [ 86 /
, . 0
] /
[
En forma genérica:
max f P
u;
Las sobre elevaciones máximas son función de la potencia útil y del rendimiento.
Reemplazando en ésta última el valor de las pérdidas en función de Pu:
1 1
. . 86 , 0
max Pu
H SA potencia superior a la nominal, la máquina alcanzará una sobre elevación máxima superior a θmx, que se indica en la referida grafica, y que
considerábamos igual a la sobre elevación límite, θmx = θL.
Para cualquier potencia superior al 100%, sobrepasará la sobre elevación límite, no pudiendo trabajar en servicio permanente, pero sí en servicio temporario
Para valores por debajo de la potencia nominal, el tiempo de funcionamiento es infinito
12 Capítulo 3 - TIPO DE
PRESTACIÓN
CALENTAMIENTO
Las pérdidas en el hierro y en el cobre que generan calor y elevan la temperatura de los distintos elementos internos.
Las temperaturas límites que pueden tolerar los arrollamientos, según Normas IRAM, se indican en la Tabla siguiente, válida exclusivamente para transformadores.
Temperaturas límites en °C
Aislación Clase A Clase E Clase B Clase F Clase H Bobinados en aire
(Medidos por Resistencia) 60 75 80 100 125
Bobinados en aceite
(Medidos por Resistencia) 65 --- --- --- ---
La denominación y características de los sistemas de refrigeración más empleados en transformadores sumergidos en aceite, se resumen en la siguiente tabla, de acuerdo a la Norma IRAM CEA F 20-99:
Denominación Función
ONAN (Oil Natural circulation Air Natural circulation)
Refrigeración mediante circulación natural del aceite y del aire en los radiadores
ONAF (Oil Natural circulation Air Forced circulation)
Refrigeración mediante circulación natural del aceite y circulación forzada de aire a través de los radiadores
OFAF (Oil Forced circulation Air Forced circulation)
Refrigeración mediante circulación forzada del aceite (bombas hacia los radiadores) y circulación forzada de aire a través de los radiadores
ODAF (Oil forced circulation Directed Air Forced circulation)
Circulación forzada y dirigida del aceite (bombas de aceite hacia los radiadores y elementos de direccionamiento en el interior del transformador hacia los canales de aceite) y circulación forzada de aire a través de los radiadores.
