Tema 3.- Transformadores.

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(1)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.

(2) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.1.- Introducción. Transformador Transformador elemental 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. PotenciaentradaPotenciasalida. 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.

(3) 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% 4. 5. 3 2 1. Montaje chapas núcleo El núcleo puede tener sección cuadrada. Pero es más frecuente aproximarlo a la circular Corte Corte aa 90º 90º. Corte Corte aa 45º 45º. 3.

(4) 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.

(5) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.1.2.- Aspectos constructivos: devanados y aislamientos II.. . Primario Primario Aislante Aislante. Primario Primario. Estructura Estructura devanados: devanados: trafo trafo monofásico monofásico. Secundario Secundario Secundario Secundario. Núcleo Núcleo con con 2 2 columnas columnas. Núcleo Núcleo con con 3 3 columnas columnas. Aislante Aislante Primario Primario. Secundario Secundario. Primario Primario Secundario Secundario Aislante Aislante. Concéntrico Concéntrico. Alternado Alternado. 5.

(6) 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.

(7) 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.

(8) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos I. Catálogos comerciales. Transformadores en baño de aceite. 8.

(9) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos II. Catálogos comerciales. OFAF. Transformador seco 9.

(10) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos III. 5000 5000 kVA kVA Baño Baño de de aceite aceite. 2500 2500 kVA kVA Baño Baño de de aceite aceite. 1250 1250 kVA kVA Baño Baño de de aceite aceite. Catálogos comerciales. 10 10 MVA MVA Sellado Sellado con con N N22. 10 10 MVA MVA Sellado Sellado con con N N22 10.

(11) 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.

(12) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos IV.. 12.








(20) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.1.4.- Aspectos constructivos: trafos trifásicos IV.. Banco trifásico de tres transformadores monofásicos con uno de reserva. 20.

(21) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.2.- Principio de funcionamiento (vacío). Transformador en vacío I00(t) U11(t). LTK primario:.  (t). Ley de Lenz:. I22(t)=0. e11(t). e22(t). U1(t )  e1(t )  N1  U22(t). El flujo es senoidal. R devanados=0. U1(t )  e1(t )  0 d(t ) dt. (t )  m  Sent. U1(t )  Um  Cost  N1  m    Cost U1ef  E1ef  Fem eficaz. 1  2f  N1  m  4 , 44  f  N1  m 2. Tensión eficaz. Um  N1  2f  m. E1ef  4, 44  f  N1  S  Bm Repitiendo el proceso. La tensión aplicada determina el flujo máximo de la máquina. para el secundario. rt . 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.

(22) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.2.- Principio de funcionamiento: Relación entre corrientes.  (t). Considerando que la conversión se realiza prácticamente sin pérdidas:. PotentradaPotenciasalida. I11(t) U11(t). P11. I22(t) P22. P=0. U22(t). Considerando que la tensión del secundario en carga es la misma que en vacío:. U2vacíoU2carga. P P11  P P22:: U U11*I *I11=U =U22*I *I22. 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.

(23) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.2.2.- Flujo de dispersión. Flujo Flujo de de dispersión: dispersión: se se cierra cierra por por el el aire aire. Representación simplificada del flujo de dispersión (primario).  (t) I00(t). I22(t)=0 U22(t). U11(t). Resistencia Resistencia interna interna. I00(t) U11(t). R11. Flujo Flujo de de dispersión dispersión. Xd1 d1 e11(t). En vacío no circula corriente por el secundario y, por tanto, no produce flujo de dispersión.  (t) I22(t)=0 U22(t). En serie con el primario se colocará una bobina que será la que genere el flujo de dispersión. U1  R 1  I0  jX d1  I0  e1 23.

(24) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.2.4.- El transformador en carga I. Resistencia Resistencia interna interna. I11(t) U11(t). R11. Flujo Flujo de de dispersión dispersión.  (t). Xd1 d1 e11(t). El secundario del transformador presentará una resistencia interna y una reactancia de dispersión como el primario. Flujo Flujo de de dispersión dispersión. Resistencia Resistencia interna interna. Xd2 d2 e22(t). R22 I22(t). U22(t). Se Se ha ha invertido invertido el el sentido sentido de de II22(t) (t) para para que que en en el el diagrama diagrama fasorial fasorial II11(t) (t) ee II22(t) (t) NO NO APAREZCAN APAREZCAN SUPERPUESTAS SUPERPUESTAS. Las caídas de tensión EN CARGA en las resistencias y reactancias parásitas son muy pequeñas: del 0,2 al 6% de U1 24.

(25) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.2.4.- El transformador en carga II. I00(t)+I22’(t). Resistencia Flujo de de Resistencia Flujo dispersión interna dispersión interna. R11. Xd1 d1. Flujo Flujo de de Resistencia Resistencia dispersión dispersión interna interna.  (t). Xd2 d2. e22(t). e11(t). U11(t). R22. I22(t). U22(t). Las caídas de tensión en R11 y Xd1 son d1 muy pequeñas, por tanto, U11  E11 Al cerrarse el secundario circulará por él una corriente I22(t) que creará una nueva fuerza magnetomotriz N22*I22(t). La nueva fmm NO podrá alterar el flujo, ya que si así fuera se modificaría E11 que está fijada por U11. Nueva Nueva corriente corriente primario primario. I1  I 0  I 2 '. I2 '  . Flujo y fmm son iguales que en vacío (los fija U11(t)). N2 I  I2   2 N1 rt. Esto sólo es posible si en el primario aparece una corriente I22’(t) que verifique:. N1  I 0  N1 I 2 'N2  I 2  N1  I 0. N1  I 2 '  N 2  I 2 25.

(26) 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 Impedancia cualquiera cualquiera en en el el secundario 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  I 2. El problema se resuelve mediante la reducción del secundario al primario. Magnitudes Magnitudes reducidas reducidas al al primario primario. e 2 '  e 2  rt U2 '  U2  rt. 2. 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'  U X 2  rt. I 2' . I2 rt. 26.

(27) 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. I11(t). R11. Xd1 d1. Xd2 ’ d2 I00 Ifefe. U11(t). Rfe fe. I. R22’ I22’(t) U22’(t). X. Circuito Circuito equivalente equivalente de de un un transformador transformador real 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.

(28) 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.

(29) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.3.1.- Ensayo de vacío.  (t). A. I00(t). Condiciones Condiciones ensayo: ensayo: I22(t)=0. W. Secundario en circuito abierto. U22(t). U11(t). . Resultados Resultados ensayo: ensayo:. Tensión y frecuencia nominal. Pérdidas Pérdidas en en el el hierro hierro. W. Corriente Corriente de de vacío vacío. A. Parámetros Parámetros circuito circuito. R Rfefe,, X X. 29.

(30) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.3.2.- Ensayo de cortocircuito I. Condiciones Condiciones ensayo: ensayo:.  (t). A. I1n (t) 1n. Secundario en cortocircuito. I2n (t) 2n. W. U22(t)=0. Ucc (t) cc. Tensión primario muy reducida Corriente nominal I1n, I 2n 1n, 2n. Al ser la tensión del ensayo muy baja habrá muy poco flujo y, por tanto, las pérdidas en el hierro serán despreciables (Pfe =kBmm22) fe. . Resultados Resultados ensayo: ensayo:. Pérdidas Pérdidas en en el el cobre cobre Parámetros Parámetros circuito circuito. . W. Rcc =R 1+R +R22’’ cc =R1 X =X 1+X Xcc +X22’’ cc =X1 30.

(31) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.3.2.- El transformador en el ensayo de cortocircuito II. I1n (t) 1n. Al ser el flujo muy bajo respecto al nominal I0 es. R11. Xd1 d1. Xd2 ’ d2 Ife fe. Ucc (t) cc. Rfe fe. I00 I. R22’ I22’(t). X. despreciable. I1n (t)=I2’(t) 1n. Ucc (t) cc. RCC CC. Xcc cc. RCC =R11+R22’ CC XCC =X11+X22’ CC. Al estar el secundario en cortocircuito se puede. despreciar la rama en paralelo. 31.

(32) Máquinas Eléctricas. Tema 3.. 3.3.2.- El transformador en el ensayo de cortocircuito III. I1n (t)=I22’(t) 1n. RCC CC. Xcc cc. UXcc. Ucc . RCC =R11+R22’ CC. Ucc (t) cc. CC. XCC =X11+X22’ CC. Ucc cc  R cc cc  I1n  jX cc  I1n  cc cc. U I  Z cc  cc  1n U1n U1n. Rcc   Xcc. . URcc Rcc  I1n  R cc U1n U1n. U I  X cc  Xcc  1n U1n U1n. Cos  cc cc . I1=I2’. URcc Diagrama Diagrama fasorial fasorial. URcc  Ucc  Cos cc. UXcc  Ucc  Sen cc. Ucc  Z cc  I1n. PCC son las pérdidas totales en el Cu CC Las de Fe son despreciables en corto Tensiones relativas de cortocircuito: se expresan porcentualmente.  cc  5%  10%.  Xcc   Rcc. Pcc Ucc cc  I1n. Para un trafo de potencia aparente Snn. 2.  cc. I1n 2  Z cc  Sn 32.

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