CALCULO Y DISEÑO DE MAQUINAS
ELECTRICAS
Por los Ings. Jorge N. L. Sacchi - Alfredo Rifaldi
Presentación Reconocimientos Autores
VOLUMEN 1
Prefacio
Capítulo 1 "El transformador"
Apéndice 1 Problemas de aplicación sobre transformadores Apéndice 2 Materiales magnéticos
VOLUMEN 2
Capítulo 2 "Máquinas rotantes"
Capítulo 3 "El alternador de polos salientes" Capítulo 4 "El alternador de polos lisos"
Apéndice 3 Problemas de aplicación sobre alternadores
VOLUMEN 3
Capítulo 5 "El motor asincrónico"
Apéndice 4 Aislamientos de las máquinas eléctricas
Apéndice 5 Problemas de aplicación sobre motores asincrónicos
VOLUMEN 4
Capítulo 6 "La máquina de corriente continua"
Apéndice 6 Problemas de aplicación sobre máquinas de corriente continua Capítulo 7 "Motor monofásico"
Apéndice 7 Problemas de aplicación sobre motor monofásico Autoevalución: preguntas
Ilustraciones de clase - archivos PPS
Epílogo Conclusiones y observaciones metodológicas
VOLUMEN 5
Introducción a los temas que siguen
Capítulo 8 "Potencia nominal y sobrecarga de transformadores"
transformadores"
Capítulo 10 "Fenómenos térmicos transitorios" Apéndice 8 "Uso y aplicación de los programas"
Apéndice 9 "Verificación de la potencia nominal del transformador"
Apéndice 10 "Corrientes de vacío y de inserción de transformadores"
VOLUMEN 6
Capítulo 11 "Impedancia de los transformadores" Capítulo 12 "Transformadores, temas especiales"
Apéndice 11 "Problemas de aplicación (capítulos 11 y 12)"
Apéndice 12 "Utilización y mantenimiento de los transformadores"
Apéndice 13 "Mantenimiento preventivo de transformadores de hornos de arco"
VOLUMEN 7
Capítulo 13 "Esfuerzos de cortocircuito en transformadores" Capítulo 14 "Determinación del campo magnético"
Capítulo 15 "Capacitancias y campos eléctricos en transformadores"
Apéndice 14 "Uso de los programas de campos" Apéndice 15 "Campos eléctricos"
Apéndice 16 "Campos magnéticos"
VOLUMEN 8 Capítulo 16 "Flujo de calor en máquinas rotantes"
Capítulo 17 "---"
Apéndice 17 "Interpretación y detección de fallas en motores electricos"
Apéndice 18 "Uso de los programas y problemas de aplicación"
VOLUMEN 9
Capítulo 18 "La dinámica de las máquinas sincrónicas y asincrónicas"
Apéndice 19 "Cálculo de parámetros transitorios de las máquinas sincrónicas" Apéndice 20 "Las reactancias y otras constantes de las máquinas sincrónicas"
VOLUMEN 10 Capítulo 19 "La saturación durante el proceso de arranque de motores"
CALCULO Y DISEÑO DE MAQUINAS
ELECTRICAS
Por los Ings. Jorge N. L. Sacchi - Alfredo Rifaldi
INTRODUCCION AL CALCULO DE MAQUINAS ELECTRICAS
En esta obra se encara el cálculo de las cuatro máquinas clásicas, el transformador, el generador sincrónico de polos salientes y de polos lisos, el motor asincrónico, y el motor de corriente continua.
La división natural y que nos pareció conveniente es en cuatro volúmenes, cada uno dedicado a una máquina en particular, y para lograr tamaños comparables los apéndices fueron distribuidos en una forma arbitraria pero lógica.
Quienes utilicen un solo volumen serán sin duda víctimas de la dificultad que implica el no tener los conceptos y referencias tratados en otro, aún así creemos que podrán aprovechar el material en sus manos.
La obra nació para ser utilizada con alumnos del último año de la carrera de ingeniería eléctrica, experimentando nuevas formas de mayor rendimiento y velocidad de transmitir el conocimiento tecnológico, quizás adelantándonos a ciertas ideas, hoy tan en boga, de comunicación de la innovación tecnológica.
Se trata de que los alumnos reciban los conceptos básicos, poniendo especial atención en el cálculo de los circuitos electromagnéticos, es decir, la geometría de la máquina y la determinación de los parámetros esenciales, sin perder de vista el aspecto del comportamiento frente a las solicitaciones dieléctricas térmicas y electrodinámicas, que a su vez están íntimamente vinculadas con los criterios de diseño a utilizar.
La consecuencia natural de este modo de enseñar y aprender, que significa cierto ahorro en el tiempo de transferencia, implica finalmente disponer de mayor tiempo que puede dedicarse para profundizar el análisis de algunos problemas específicos que se presentan con las máquinas clásicas, como también problemas que plantean máquinas especiales. El objetivo de la obra es que el alumno se familiarice con la resolución de los distintos problemas de cálculo que aparecen, y haga experiencia encontrando las dificultades que implica el alcanzar con éxito una determinada solución constructiva.
Para forzar el máximo aprovechamiento de la metodología de trabajo y aprender a utilizar el programa que en sí es rígido, frente a problemas flexibles y que generalmente resultan incontrolables para quien encara su resolución, se han desarrollado ejemplos de aplicación y propuesto ejercicios.
La mejor síntesis de lo que significa el proyecto de una máquina eléctrica fue expresada por el Prof. G. M. PESTARINI, que en su libro titulado "ELETROMECCANICA - Fondamenti di costruzione comuni a tutte le macchine", escribe que «la máquina
magnético, el de corriente, el de fuerzas motrices, el de flujos de calor, el de velocidad de fluidos refrigerantes y el de fuerzas elásticas de los materiales solicitados por las fuerzas motrices, siendo el principal objetivo del proyectista obtener los resultados prefijados en el modo más simple y económico».
El constructor de máquinas eléctricas frecuentemente recurre a cálculos relativamente simples y a interpolaciones basadas en la experiencia adquirida en sus construcciones precedentes.
Además muchas veces el constructor debe afrontar problemas nuevos y estudiar perfeccionamientos laboriosos para alcanzar el objetivo deseado.
El cálculo de una máquina presenta serias dificultades ya que no puede ser planteado como un sistema de ecuaciones (el número de incógnitas supera ampliamente el número de ecuaciones que se pueden plantear), en consecuencia esta es una tarea que se resuelve mediante sucesivas aproximaciones, orientadas por la experiencia que permite juzgar adecuadamente los resultados parciales y mejorar rápidamente la solución.
La herramienta que utiliza el mundo industrial en la actualidad para resolver sus realizaciones, es la computadora. En este trabajo se propone su aplicación para el aprendizaje del cálculo de máquinas eléctricas, lo que permite al lector en tiempos breves reunir una experiencia relativamente amplia.
En efecto con la ayuda de programas de computadora se logra la realización de un cúmulo de trabajo imposible de obtener de otra manera. Se presenta una metodología en la cual la aplicación de los algoritmos de cálculo está acompañada con la resolución de problemas concretos, y por otra parte con el enfoque de criterios constructivos utilizados en las construcciones normales.
El lector notará cierta originalidad en este texto, las fórmulas no están escritas en la forma habitual; en efecto, como primero hicimos los programas y luego se escribió el texto explicativo, las fórmulas incluidas en él surgieron del programa.
Así los lectores que conocen lenguajes computacionales identificarán nombres de variables de varios caracteres habituales en Fortran, Basic etc.
Finalmente al escribir la versión actual utilizando las facilidades de los editores de ecuaciones, las fórmulas fueron escritas en una notación híbrida que esperamos ayude al lector a iniciar la transición de lo que desde el siglo XV se utilizó en matemáticas y la propuesta de la programación actual.
De los resultados del cálculo numérico se debe alcanzar una solución que además de construible satisfaga los requerimientos de las normas, es entonces necesario realizar los croquis constructivos de las distintas partes que permitan visualizar los resultados, y analizar críticamente si los mismos satisfacen los requisitos impuestos.
A medida que el trabajo avanza se debe evaluar el grado de incidencia de cada parámetro y efectuar las correcciones convenientes para lograr una mejor solución.
El uso de programas evita el tedioso trabajo de cálculo manual, pero obliga a dedicar todo el tiempo disponible al análisis de los resultados rápidamente obtenidos.
Alrededor del tema específico del cálculo de una máquina eléctrica, se desarrollan una serie de otras actividades (que tienen entre si íntima vinculación), que van desde especificar, predimensionar, presupuestar, adquirir, proyectar, construir, ensayar, utilizar, mantener, hasta analizar eventuales fallas y reparar.
Todas estas actividades requieren de un adecuado conocimiento de las máquinas también desde el punto de vista constructivo.
En el estudio de la construcción de las máquinas eléctricas, no se debe perder de vista el carácter formativo que este tema tiene, no se trata sólo de calcular, sino de establecer el nexo entre las distintas actividades citadas.
Al momento de nacer los programas la disponibilidad de computadoras personales era aún escasa, y resultaba ilusorio pensar en su utilización en el aula, al mismo tiempo sólo pocos eran los privilegiados alumnos que podían acceder a ellas, razón por la cual intentamos que el alumno pudiera ayudarse de la computadora sin saber nada de computación y en consecuencia el programa genera un informe que volcado a papel permite al alumno su estudio en cualquier lugar.
El avance vertiginoso de la informática actualmente hoy nos orientaría a un diseño de programas interactivos, sin embargo creemos que el alumno puede lograr un mejor aprovechamiento del tiempo leyendo los informes generados por el programa, situación que pone en evidencia que la propuesta presentada es la mejor.
A partir del enunciado de un problema se pueden preparar los datos, completando sólo aquellos esenciales que el programa requiere y ejecutar una corrida, es bueno que quien enseña tenga preparado un cuestionario que le exija al alumno buscar resultados, dibujar geometría, responder porque, proponer mejoras y recién sobre esta base continuar en busca de la optimización del diseño.
La modalidad de trabajo aquí propuesta exige un avance gradual en la utilización de estos programas.
Con el auxilio de este medio se pueden realizar cálculos con hipótesis más rigurosas que permiten aproximarse mejor a la solución aspirada.
Los resultados que se obtienen son correctos desde el punto de vista formal, pero deben ser correctos además desde el punto de vista lógico que surge del análisis de los mismos.
El lector no debe olvidar que los resultados numéricos muchas veces pueden carecer de sentido si no se tiene en cuenta los errores que afectarán a la construcción y que nada tienen que ver con la exactitud numérica obtenida del cálculo.
CAPITULO 1
EL TRANSFORMADOR
1.1 GENERALIDADES 1.1.2 Definición
1.1.3 Condiciones normales de servicio 1.2 CARACTERISTICAS NOMINALES
1.3 COMENTARIOS REFERENTES A LOS ENSAYOS DIELECTRICOS [a] 1.4 CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO
1.5 DESARROLLO DEL CALCULO
1.6 DETERMINACION DEL FLUJO (PASO 1).
1.7 DETERMINACION DE LA CORRIENTE DE LAS BOBINAS (PASO2) 1.8 VARIACION DE LA RELACION DE TENSION
1.8.1 Con flujo magnético constante (RFC) 1.8.2 Con flujo magnético variable (RFV) 1.8.3 Regulación mixta (RM)
1.9 REGULACION BAJO CARGA
1.10 DIMENSIONAMIENTO DE LOS ARROLLAMIENTOS 1.11 FORMAS DE LOS ARROLLAMIENTOS
1.12 AISLACION DE LOS ARROLLAMIENTOS CONCENTRICOS 1.13 DISEÑO DE LOS DEVANADOS CONCENTRICOS
1.14 DEVANADOS A DISCOS 1.15 DEVANADO EN HELICE
1.16 DETALLES CONSTRUCTIVOS DE LOS DEVANADOS DE REGULACION[b] 1.17 TRANSPOSICIONES [3]
1.17.1 Transposición radial 1.17.2 Transposición axial
1.18 DISEÑO DE LOS DEVANADOS ALTERNADOS 1.18.1 La Bobina del transformador acorazado
1.18.2 Grupos de bobinas
1.19 LA FASE DEL ACORAZADO
1.20 DETERMINACION DEL NUMERO DE ESPIRAS DE LAS BOBINAS (PASO 3) [c]
1.21 DIMENSIONAMIENTO DEL NUCLEO, DE LOS ARROLLAMIENTOS Y DISTANCIAS DIELECTRICAS (PASO 4)
1.21.1 Núcleo de columnas 1.21.2 Núcleo acorazado
1.22 LA CUBA DEL ACORAZADO
1.23 DETERMINACION DE LAS DISTANCIAS DE AISLACION (PASO 5) 1.24 DETERMINACION DE LOS ARROLLAMIENTOS (PASO 6)
1.25 DETERMINACION DE LA REACTANCIA DE DISPERSION (PASO7) 1.26 DETERMINACION DE LAS PERDIDAS EN EL NUCLEO (PASO 8) [d] 1.27 VALORES REFERIDOS A LAS TENSIONES NOMINALES (PASO9)
1.28 DETERMINACION DE LOS VOLUMENES Y PESOS CONVENCIONALES (PASO 10)
1.29 DESCRIPCION Y DISPOSICION DE LOS ACCESORIOS 1.30 BIBLIOGRAFIA TRANSFORMADOR [e]
CAPITULO 1
EL TRANSFORMADOR 1.1 GENERALIDADES
1.1.2 Definición
El transformador es un aparato estático, de inducción electromagnética, destinado a transformar un sistema de corrientes alternas en uno o más sistemas de corrientes alternas de igual frecuencia y de intensidad y tensión generalmente diferentes.
Un transformador en servicio en un sistema eléctrico, tiene ciertas características nominales que han sido en parte fijadas por el usuario, y en parte adoptadas por el proyectista.
Estas características que son objeto de garantías se comprueban en ensayos. 1.1.3 Condiciones normales de servicio
Las normas fijan condiciones normales de servicio, a saber:
• altitud de la instalación (hasta 1000 metros sobre el nivel del mar)
• temperatura del refrigerante, por ejemplo para aparatos refrigerados por aire, la temperatura del aire ambiente no debe exceder los 40 °C.
Además en las normas se fijan temperaturas mínimas del aire y valores promedios diarios y anuales que, si se previese excederlos, es indispensable indicarlos claramente a nivel de especificación.
Los transformadores se identifican con una sigla que define el modo y el medio de refrigeración utilizado.
Los transformadores pueden ser sumergidos en aceite mineral, sintético u otro líquido refrigerante, o ser de tipo seco.
Los primeros son aquellos cuyas partes activas, estén o no aisladas y eventualmente impregnadas, están inmersas en aceite u otro líquido dieléctrico. La aislación se realiza con materiales pertenecientes a la clase A (105 °C).
Los de tipo seco son aquellos cuyas partes activas, estén o no aisladas y eventualmente impregnadas, están en contacto inmediato con un aislante gaseoso (generalmente aire) o bien sólido (generalmente resinas epóxicas o a base de siliconas). La aislación se realiza con materiales pertenecientes a la clase F (155 °C) o H (180 °C).
Aceite mineral o líquido aislante sintético inflamable O Líquido aislante sintético no inflamable L
Gas G
Agua W
Aire A
Según el modo como circule el medio refrigerante se utilizan los siguientes símbolos:
Natural N
Forzado F
Dirigido para el caso particular de aceite D
Ya se ha dicho que las normas fijan las condiciones normales de servicio, pero en la aplicación puede ocurrir que se tengan funcionamientos que se aparten de las condiciones normales esta situación debe ser indicada por el usuario.
• sobreelevación de temperatura es la diferencia entre la temperatura en distintas partes de la máquina y la temperatura ambiente.
La sobreelevación de temperatura de los arrollamientos, núcleo y aceite de los transformadores diseñados para funcionar a altitudes que no excedan las normales no deben superar los límites que se indican en las tablas 1.1 y 1.2.
TABLA 1.1 - Límites de temperatura para transformadores secos
Parte de la máquina Modo de
refrigeración Claseaislamiento de Máxima sobreelevación de temperatura (° C) Arrollamientos:
(valor medio medido por variación de resistencia)
Aire, natural o forzado A E B F H 60 75 80 100 125 Núcleo y otras partes
situadas:
a) Próximo a los arrolla-mientos
b) No próximo a los arro-llamientos
Todos los tipos a) Como para los arrolla-mientos
b) No puede alcanzar un valor que dañe el núcleo y materiales adyacentes
TABLA 1.2 -Límites de temperatura para transformadores en aceite u otro líquido dieléctrico (Clase A)
Parte de la máquina Máxima sobreelevación de temperatura (° C) Arrollamientos:
(valor medio medido por variación de resistencia)
65 cuando la circulación del aceite es natural o forzada pero no dirigida
70 cuando es forzada y dirigida Temperatura máxima del aceite (próximo a la tapa):
Medida con termómetro
60 cuando el transformador tiene tanque conservador o es hermético
55 cuando ni tiene tanque conservador ni es hermético Núcleo, partes metálicas y materiales magnéticos La temperatura no debe alcanzar, en ninguna parte, va-lores que dañen el núcleo, el aceite y los arrollamientos
Cuando el transformador está diseñado para funcionar en lugares donde la temperatura del aire de refrigeración excede los valores indicados en las normas, la sobreelevación de temperatura admisible para los arrollamientos, núcleo y aceite, lógicamente se debe reducir.
Para potencias de 10 MVA o mayores la reducción que se aplica a la sobretemperatura coincide con el exceso de temperatura del aire de refrigeración.
Para potencias menores la sobreelevación se deberá reducir del siguiente modo: • si el exceso de temperatura es menor o igual a 5 °C se reduce en 5 °C.
• si el exceso de temperatura es mayor de 5 °C y como máximo igual a 10 °C se reduce en 10 °C.
Si el transformador esta diseñado para operar a una altura mayor de 1000 m, pero es ensayado a una altura normal, los límites de sobreelevación de temperatura indicados se deben también reducir en un cierto porcentaje en proporción a la altura.
Para cada modo de refrigeración, por cada 500 m o fracción de 500 m por encima de los 1000 m la reducción se indica en la tabla siguiente.
TABLA 3: Porcentaje de reducción del límite de sobrelevación de temperatura
Circulación de aire natural forzado
Transformadores en aceite 2.0% 3.0% Transformadores secos 2.5% 5.0%
En rigor los límites de sobreelevación de temperatura que se fijan, y que dimensionan la máquina desde el punto de vista térmico, y se utilizan en la verificación de sus
calientes de manera de que los materiales y en particular los aislantes conserven sus propiedades.
En consecuencia es aceptable utilizar un transformador controlando que la temperatura de su zona más caliente quede contenida en un valor de seguridad independientemente de la condición ambiental, y en esta forma la máquina es aprovechable en todo momento al máximo, este criterio aunque no contemplado (aún) por las normas permite (de todos modos) un aprovechamiento más racional del mismo.
Las pruebas de calentamiento que establecen las normas, tienen por finalidad verificar el dimensionamiento térmico de la máquina con relación a la sobreelevación media de la temperatura.
Para máquinas de gran potencia esta prueba se realiza solamente con el método de cortocircuito y consiste en determinar:
• la sobreelevación de temperatura del aceite en la parte superior de la máquina (vaina para termómetro) una vez alcanzado el régimen térmico con las pérdidas totales (en el hierro y en los arrollamientos).
• el gradiente medio entre el conductor de los distintos arrollamientos y el aceite, circulando por el arrollamiento ensayado la corriente nominal, pudiéndose de este modo calcular la sobreelevación media de los arrollamientos respecto a la temperatura ambiente.
La variación de la temperatura ambiente (verano-invierno) incide en la repetibilidad de las mediciones.
Con el aumento de la temperatura disminuye la viscosidad del aceite, aumentando de este modo su circulación y mejorando el intercambio térmico entre el aceite y las paredes de los órganos de refrigeración.
En cambio con el aumento de la temperatura disminuye la densidad del aire y en consecuencia se reduce el intercambio térmico entre las paredes de los órganos refrigerantes y el aire, suponiendo un caudal de aire constante.
Teniéndose en cuenta ambos efectos en forma conjunta, la refrigeración tiende a mejorar con el incremento de temperatura ambiente.
Por ejemplo se puede encontrar experimentalmente una reducción en la temperatura de los devanados de 2 a 3 °C al pasar la temperatura ambiente de 20 a 30 °C.
Además del control de la sobreelevación de la temperatura media, es de fundamental importancia verificar la ausencia de puntos calientes peligrosos, a fin de obtener máquinas de elevado grado de confiabilidad.
• forma de onda de la tensión de alimentación que caracteriza el ambiente eléctrico en el que operará el transformador (la norma la supone aproximadamente senoidal).
Para transformadores polifásicos, la tensión de alimentación debe ser aproximadamente simétrica (la norma no indica el grado de asimetría).
1.2 CARACTERISTICAS NOMINALES.
Las características nominales son datos que en base a las condiciones de servicio, definen las prestaciones a efectos de las garantías y condiciones de ensayo especificadas.
• tensión nominal (en valor eficaz) de un arrollamiento es la tensión aplicada u obtenida en vacío entre bornes de línea de un arrollamiento de un transformador polifásico o entre bornes de un arrollamiento monofásico.
• relación de transformación nominal es la que existe entre las tensiones nominales de los distintos arrollamientos para la toma principal.
La tolerancia en la relación (real del transformador construido) fijada por las normas es ± 0.5% de la relación nominal; en el caso de transformadores cuya tensión de cortocircuito es baja la tolerancia es 1/10 del porcentaje de impedancia. Esto no es aplicable a los autotransformadores (en razón de su muy baja impedancia).
Por ejemplo para un transformador con impedancia 3% la tolerancia de la relación de transformación será 0.3%
• frecuencia nominal es aquella a la cual el transformador está destinado a funcionar (normalmente 50 o 60 Hz).
• potencia nominal, es el valor convencional de la potencia aparente (kVA o MVA), que establece las bases para el diseño, la construcción, las garantías del fabricante y los ensayos, determinando el valor de la corriente nominal que puede circular con la tensión nominal aplicada, de acuerdo con las condiciones especificadas.
La potencia nominal asignada corresponde a servicio continuo, sin embargo los transformadores pueden ser sobrecargados ocasionalmente. Las normas fijan indicaciones y criterios a aplicar en algunos casos particulares.
Debe notarse que si el transformador tiene diferentes modos de refrigeración, a cada uno le corresponde una potencia y la potencia nominal es la mayor. Ej.: ONAN (70%) - ONAF (100%)
Para transformadores de más de dos arrollamientos, se debe indicar la potencia nominal de cada arrollamiento.
La mitad de la suma aritmética de los valores de las potencias de los arrollamientos da una estimación aproximada de las dimensiones de un transformador de más de dos arrollamientos en relación a uno de dos arrollamientos.
• corriente nominal es el valor que se obtiene dividiendo la potencia nominal de un arrollamiento por la tensión nominal de dicho arrollamiento y por el factor de fase apropiado (√ 3 en los transformadores trifásicos).
A fin de destacar el significado convencional de la definición de potencia nominal, debe notarse que si a un arrollamiento de un transformador de dos arrollamientos se le aplica su tensión nominal, y se lo carga hasta que por el circule la corriente nominal, la potencia en juego coincide con la definida como potencia nominal del transformador. En el otro arrollamiento circula también la corriente nominal, mientras que la tensión en bornes de este depende del factor de potencia de la carga, y en consecuencia la potencia que puede medirse en este punto está afectada por el rendimiento del transformador. • nivel de aislación, es el conjunto de valores que caracterizan la aptitud de los arrollamientos a soportar las solicitaciones dieléctricas que se presentan en servicio. Generalmente el nivel de aislación se expresa con el valor (eficaz) de tensión de ensayo a frecuencia industrial (aplicada durante 1 minuto), y cuando corresponde el valor de tensión (pico) de ensayo de impulso (onda de impulso normalizada 1.2/50 microsegundos).
La aislación puede ser uniforme cuando ha sido prevista en todo punto para soportar la tensión de ensayo contra masa que corresponde al extremo lado línea del arrollamiento. En cambio cuando varía desde el valor previsto para el lado línea hasta un valor menor del lado neutro, se denomina aislación gradual.
Un arrollamiento con aislación gradual no puede ser sometido a un ensayo de tensión aplicada de valor mayor al correspondiente al nivel de aislación en el extremo neutro. El transformador debe ser apto para instalación expuesta (a sobretensiones de origen atmosférico) cuando se instala conectado a líneas aéreas directamente o mediante pequeños tramos de cable; o puede no ser apto, y en tal caso solamente se lo puede instalar en redes de cables subterráneos.
Las normas indican los requerimientos básicos que permiten definir las exigencias relativas a los aislamientos y los ensayos que se deben realizar para verificar que la máquina en examen ha sido proyectada y construida para soportar todas las solicitaciones dieléctricas a las cuales podrá estar sometida en servicio.
Los diferentes ensayos y niveles de tensión que se deben aplicar se establecen de acuerdo con las normas en función de la tensión máxima del sistema al cual el arrollamiento deberá ser conectado.
a) Para arrollamientos con tensión máxima menor de 300 kV y aislación gradual los ensayos requeridos son:
• prueba de aislamiento con tensión aplicada a frecuencia industrial correspondiente al nivel de aislación del neutro, que tiene por finalidad verificar el aislamiento contra masa.
• prueba de aislamiento con tensión de impulso, que tiene por finalidad verificar la capacidad del aislamiento de soportar sobretensiones de origen atmosférico.
• prueba de aislamiento con tensión inducida, que tiene la finalidad de verificar el aislamiento interno entre espiras, entre fases y también contra masa de los arrollamientos ensayados.
b) Para arrollamientos con tensión máxima igual o mayor de 300 kV y aislación gradual (que son aquellos de mayor interés para máquinas de gran potencia), la norma propone dos métodos alternativos para los ensayos.
La elección del método forma parte de las indicaciones que debe suministrar el usuario de la máquina.
Según el método 1 se considera que el nivel de tensión de aislación a impulso atmosférico tiene asociado un valor de tensión inducida de ensayo, y este último es suficiente para asegurar que el transformador resiste sobretensiones de maniobra.
Los ensayos que se realizan son similares a los indicados para transformadores con tensión máxima menor de 300 kV.
En cambio según el método 2 se adopta para el nivel de tensión máximo del transformador, un valor de tensión de impulso de maniobra.
A partir del impulso de maniobra se adopta uno de los valores de tensión de impulso atmosférico que establece la norma.
La tabla siguiente muestra para tensiones máximas del sistema igual o mayor a 300 kV, los valores de las tensiones de ensayo y las distintas combinaciones que se pueden adoptar tanto para el método 1 como para el método 2.
A los ensayos ya comentados, se agrega entonces el ensayo con tensión de impulso de maniobra.
Tabla de tensiones de prueba en los bornes de línea.
Um Tensión inducida Impulso de maniobra Impulso atmosférico kV kV kVc kVc 300 395 395 460 750 750 850 850 850 950 950 1050 362 850 850 950 1050
460 460 510 950 950 1050 1175 420 570 630 950 950 1050 1050 1050 1050 1175 1175 1300 1425 525 1050 1050 1050 1175 1175 1175 1300 1425 1425 1550 765 1425 1425 1550 1550 1550 1800 1800 1950
• topes de regulación son determinados puntos de los arrollamientos a los cuales se accede con conductores de conexión y elementos destinados a variar el número de espiras eléctricamente activas, o variar los conexionados.
• tope principal es el tope al cual se refieren las características nominales.
• campo de regulación es la diferencia entre la máxima y la mínima tensión en vacío, expresada en general, en valor relativo a una tensión tomada como referencia (generalmente la nominal).
• pérdidas: son las potencias activas absorbidas por el transformador. Convencionalmente, a los efectos de la garantía y de las tolerancias, se consideran las siguientes pérdidas características.
a) pérdidas en vacío: es la potencia activa absorbida por el transformador en las condiciones nominales de frecuencia y tensión con todos los arrollamientos no excitados abiertos en sus bornes de línea (tolerancia fijada por las normas +15% con la condición de que las pérdidas totales no excedan en más del 10% el valor garantizado).
Las conexiones de todos los arrollamientos deben corresponder con las condiciones para la cual es válida la garantía y, en particular, eventuales arrollamientos para la compensación de armónicos deben ser puestos, para la prueba, en las condiciones de funcionamiento.
Las tensiones aplicadas para la prueba deben ser prácticamente sinusoidales, lo que puede comprobarse midiendo entre terminales de línea con voltímetros de valor medio, tarados en valor eficaz para onda sinusoidal. Se miden contemporáneamente el valor eficaz de las mismas tensiones con voltímetros normales de valor eficaz y si las mediciones no son iguales, las normas indican las correcciones que se deben realizar en el valor de las pérdidas medidas.
b) pérdidas debidas a la carga: es la potencia activa absorbida por el transformador en el ensayo de cortocircuito para cada par de arrollamientos, que corresponde a la carga del arrollamiento de menor potencia del par, a la temperatura de referencia (75 °C), en las condiciones nominales de frecuencia y corriente, con los restantes arrollamientos abiertos en sus bornes de línea (tolerancia fijada por las normas +15% debiéndose cumplir también que las pérdidas totales no excedan en más del 10% el valor de garantía).
c) pérdidas totales: convencionalmente se considera como valor de las pérdidas totales la suma de las pérdidas en vacío y de las pérdidas en carga. No se toma en consideración la potencia absorbida por los elementos o motores auxiliares (bombas, ventiladores) que debe ser indicada por separado (tolerancia fijada por las normas +10%).
• tensión de cortocircuito: la tensión de cortocircuito de un par de arrollamientos es la tensión, a la frecuencia nominal, que se debe aplicar a uno de ellos para que en el otro que debe estar cortocircuitado en sus bornes, se establezca la corriente nominal, los eventuales arrollamientos no pertenecientes al par que se está ensayando están abiertos en sus bornes de línea.
Se expresa en general en valor relativo respecto a la tensión nominal del arrollamiento alimentado.
El valor de la tensión de cortocircuito, válido a los efectos de la garantía, es el correspondiente al tope principal de los arrollamientos considerados.
Si la toma principal corresponde a la posición media de los topes (o a una de las dos posiciones medias) se pueden presentar las siguientes condiciones que definen la tolerancia en la tensión de cortocircuito:
• Transformadores de dos arrollamientos: tolerancia ± 10%
• Transformadores de más de dos arrollamientos: tolerancia ± 10% para un par de arrollamientos especificados (si no se indica lo contrario se entiende el par de mayor potencia); y tolerancia ± 15% para otro par de arrollamientos.
Ejemplo: un transformador en el tope del 100% de la tensión nominal debe tener una impedancia del 7% y la tolerancia en la impedancia es del 10%; en el tope del 85% la impedancia debe ser 6%, resultando en este caso la tolerancia del 10% + (100% - 85%)/2 = 17.5%.
Convencionalmente, especialmente en lo referente a los valores de garantía, las pérdidas debidas a la carga y las tensiones de cortocircuito se deben dar a una determinada temperatura de referencia (que representa la temperatura media del arrollamiento). Esta temperatura es de 75 °C para los aislamientos de la clase A, E, B y de 115 °C para aquellos de la clase F, H, C.
• corriente de vacío: es la corriente (valor eficaz) que circula por un arrollamiento cuando se aplica a los bornes de línea la tensión nominal a la frecuencia nominal, estando los otros arrollamientos abiertos en sus bornes de línea.
La corriente de vacío no es sinusoidal sino deformada por la característica no lineal del hierro.
En transformadores polifásicos la corriente de vacío puede ser distinta en los diferentes bornes de línea (en las diferentes fases). En este caso se adopta como valor de corriente de vacío el valor medio aritmético de las corrientes (tolerancia +30%).
Los valores de tolerancias que se han indicado, son los fijados por las normas internacionales (IEC) y en general son adoptados por las normas de los distintos países. Estas tolerancias son las que se deben respetar, debiendo el proyectista evaluar los riesgos de superarlas y analizar en etapa de proyecto los posibles errores constructivos que pueden llevar a su realización fuera de tolerancia y susceptible de una degradación del valor de su producto y quizás de rechazo.
1.3 COMENTARIOS REFERENTES A LOS ENSAYOS DIELECTRICOS
El aislamiento de los transformadores es de fundamental importancia, tiene notable incidencia en el diseño, se comprueba mediante ensayos.
Se justifica hacer algunos comentarios relativos a la modalidad de ensayos, que deben ser tenidos en cuenta por quien diseña la máquina.
1.3.1 Ensayos de impulso atmosférico
La secuencia de ensayo a impulso se aplica a cada uno de los terminales de línea de los devanados ensayados. En el caso de un transformador trifásico, los otros bornes de línea de los arrollamientos deben ser conectados directamente a tierra o a través de una resistencia baja que no exceda 400 ohm.
Para transformadores cuya tensión máxima es igual o mayor de 132 kV la norma, establece para cada nivel de tensión máxima dos valores de tensión a impulso.
La elección entre estos dos valores depende de la severidad de las condiciones de sobretensiones que se prevén en el sistema en el cual el transformador será utilizado y que están en relación con el grado de puesta a tierra del neutro del sistema.
1.3.2 Definición del impulso
La forma normalizada del impulso atmosférico pleno se muestra en la Figura 1.1 donde se indica también la definición del tiempo virtual del frente T1 y del tiempo virtual del hemivalor T2 (tiempo de cola).
Las tolerancias admitidas por las normas para estos tiempos son: T1 = 1.2 ± 30% µ s T2 = 50 ± 20% µ s
1.3.3 Circuito de prueba
Los elementos conectados juntos para la prueba a impulso se pueden subdividir físicamente en tres circuitos como se indica en la Figura 1.2:
• circuito principal que comprende el generador a impulso y el objeto en prueba (transformador, reactor etc.)
• circuito para la medida de las tensiones
• circuito de truncamiento (sin son previstas pruebas de onda truncada) Los símbolos utilizados en la Figura 1.2 tienen el siguiente significado:
GI Generador de impulsos CG Capacidad del generador CL Capacidad de carga
CT capacidad equivalente del objeto en prueba LT inductancia equivalente del objeto en prueba RSi resistencia serie interna
RSe resistencia serie externa Rp resistencia en paralelo
SC shunt para la medida de la corriente ST Espinterómetro de corte
OP objeto en prueba Z1, Z2 divisores de tensión
Zc impedancia adicional del circuito de corte
La forma del impulso depende de los parámetros del circuito y del objeto en prueba. En particular el tiempo de frente T1 depende substancialmente de la capacidad del objeto en prueba y de la resistencia en serie.
El tiempo para el hemivalor T2 está determinado por la capacidad del generador y de la resistencia en paralelo.
Haciendo C = CT + CL + C1 y RS = RSi + RSe para Rp > > RS y CG > > C se tienen las siguientes expresiones aproximadas para T1 y T2:
T1 = 3 × RS × C
T2 = 0.7 × Rp × CG (LT > 10 mH)
T2 = (0.07..0.35) × Rp × CG (20 < LT < 100 mH) T2 = 0.5 × LT × CG (LT < 20 mH)
Se debe tener presente que la capacidad equivalente del transformador CT, comprendida en el valor de C, no es igual para el frente que para la cola del impulso.
En el cálculo de T1 se puede considerar CT ≈ donde CB es la capacidad del pasante, CS la capacidad serie y CE la capacidad a masa del arrollamiento.
Para la cola CT se puede estimar como igual a CB más una parte de CE que depende de la distribución inicial de las tensiones a lo largo del arrollamiento. Esta capacidad no obstante, en la mayor parte de los casos prácticos, resulta de menor importancia para el cálculo de T2.
En la Publicación IEC 722 "Guide to the lightning impulse and switching impulse
testing of power transformers and reactors" se pueden obtener indicaciones más
detalladas acerca de la elección de los parámetros del circuito de prueba y de las dificultades para obtener la forma de onda requerida para la prueba de impulso.
Siendo la velocidad de variación de las tensiones y de las corrientes impulsivas muy elevada y teniendo en cuenta y dado el valor finito de las impedancias en juego, no se puede suponer que durante las pruebas de impulso todo el sistema de tierra está a potencial cero.
Por esto es importante elegir una apropiada "tierra de referencia", adoptándose normalmente un punto cercano al objeto en prueba que se conecta con el sistema de tierra de la sala de pruebas.
Las conexiones de retorno del objeto en prueba y del generador de impulsos con el punto de referencia deben ser de baja impedancia.
También el circuito de medida de tensiones debe estar conectado al mismo punto de referencia.
1.3.4 Ensayo con tensión inducida
Se debe realizar con alimentación monofásica o bien trifásica, durante un tiempo de 60 s para una frecuencia de hasta 100 Hz; con un tiempo mínimo de 15 s para frecuencias superiores.
La frecuencia de ensayo, superior a la nominal, la elige el constructor a los efectos de no saturar el núcleo magnético durante la prueba.
Se debe medir el valor pico de la tensión de ensayo inducida. Este valor dividido por √ 2 debe ser igual al valor de la tensión de ensayo, siendo este último función del nivel de aislación a la tensión de impulso adoptado.
1.3.5 Ensayo de impulso de maniobra
La forma de la tensión de impulso de maniobra debe respetar varias condiciones mostradas en la Figura 1.3;
debe tener un tiempo virtual de frente (1.25 veces el tiempo entre el instante cuando el impulso es 10% y 90% del valor pico) de por lo menos 20 microsegundos, un tiempo por encima del 90% (durante el cual la tensión excede el 90%) de por lo menos 200 microsegundos, y una duración total desde el origen hasta el primer paso por cero de por lo menos 500 microsegundos.
La modalidad de la prueba con tensión inducida difiere de la indicada en el punto a), su duración es mayor, la tensión de ensayo fase-tierra es menor y para la evaluación de la prueba se miden las descargas parciales en el transformador.
La secuencia de aplicación de la tensión de prueba se debe realizar de acuerdo a lo que se indica en la Figura 1.4.
La duración de la prueba es independiente de la frecuencia utilizada.
Durante todo el tiempo de aplicación de la tensión de prueba se deben medir las descargas parciales.
Las tensiones de prueba entre terminales de línea y neutro referidas al valor máximo de tensión del transformador (Umax) dependen del nivel prescripto de descargas y deben ser las siguientes:
U1 = Umax
Con 500 pC: U2 = 1.5× Umax/√ 3 Con 300 pC: U2 = 1.3× Umax/√ 3
El nivel de descargas admisible es una elección que debe hacer el usuario.
Se considera superada la prueba si no hay falla del aislante durante el ensayo y si el valor de descargas parciales no presenta una constante tendencia a aumentar y no excede el valor prescripto.
Los límites de descargas parciales especificados, se han basado en medidas de descargas parciales realizadas en transformadores que han superado la prueba de tensión inducida indicada en el método 1 y no han experimentado problemas dieléctricos durante los primeros años de servicio.
La Figura 1.5 muestra el circuito típico utilizado, donde:
C1, C2 capacidad del pasante y toma de medición
Zm impedancia de medida (puede ser la del cable coaxil conectado con el instrumento de medición SM sistema de medición
1.4 CRITERIOS DE DIMENSIONAMIENTO
El proyectista que encara el cálculo de dimensionamiento de un transformador conoce las características nominales que debe satisfacer su proyecto.
Además la especificación del equipo lo conduce a ciertas adopciones, y otras debe elegirlas con su mejor criterio, quedando definido:
• Tipo de transformador (en aceite o seco) • Método de refrigeración
• Tipo de núcleo
• Forma constructiva del arrollamiento • Tipo de conductor y sus características • Geometría del núcleo
• Material utilizado
Con esta base el proyectista inicia el cálculo tratando de utilizar en la mejor forma los materiales, conduciendo el cálculo para obtener el proyecto requerido.
El concepto que califica el proyecto es el económico, se trata de lograr la máquina que satisfaciendo los requerimientos de especificación, ofrezca todas las garantías y su costo sea el mínimo.
El concepto de costo es generalmente mucho más amplio que el estricto costo del equipo.
En particular al comparar transformadores se tienen en cuenta además el costo de las pérdidas, y a veces otros costos, de operación, mantenimiento etc.
Es necesario adoptar acertadamente ciertos parámetros que condicionan el diseño para lograr el mínimo costo aludido.
En rigor se adoptan parámetros básicos, se avanza en el proyecto, se hacen cálculos de verificación, eventualmente se retorna sobre los parámetros adoptados retocándolos, y rehaciendo en consecuencia los cálculos (al menos en parte).
Una sucesión de pasos, en los que se realizan acciones de proyecto conduce al resultado deseado, la máquina construible se encontrará proyectada.
Distintos autores fijan criterios y modos de conducir el cálculo. En este trabajo se ha adoptado uno de los posibles.
Si se plantea el cálculo, se observa que las incógnitas son muchas más que las ecuaciones que se pueden escribir, y como frecuentemente ocurre con los problemas de ingeniería se deben hacer adopciones que se basan en la experiencia.
La experiencia que utilizamos en este trabajo se ha extraído de la bibliografía disponible; quien efectivamente construye después de calcular, encuentra otra fuente de experiencia en sus construcciones.
Se construye, se ensaya, se controla, y se incorpora la experiencia que surge de los resultados, a los datos de diseño de que dispone el proyectista.
1.5 DESARROLLO DEL CALCULO
Proponemos desarrollar el cálculo dividiéndolo en una sucesión de pasos independientes que conducen a una solución, (no necesariamente adecuada).
Cada paso partiendo de los datos, y de tablas conduce a obtener resultados intermedios. A medida que se avanza en el cálculo, se observa la conveniencia de ajustar valores para mejorar los resultados, y hacer más adecuada la condición de diseño.
A los fines del aprendizaje de la metodología de cálculo, los lazos correctivos y los ajustes reiterados no son útiles.
Con una definición correcta de los pasos de cálculo, es inmediato pensar en desarrollar un programa de computadora.
Esto ha sido hecho y en la descripción que sigue, se explican los pasos de un programa particular, que desarrolla el cálculo del transformador, estos mismos pasos definen las acciones que deben ejecutarse en un eventual cálculo realizado con independencia del programa.
Solamente se encara el cálculo y dimensionamiento electromagnético del transformador. Los resultados deben ser evaluados y verificados teniendo en cuenta otros aspectos, como el térmico, electrodinámico, dieléctrico etc.
Además se hacen comentarios oportunos respecto de diseños alternativos, formas constructivas, y otras modalidades de cálculo posibles.
1.6 DETERMINACION DEL FLUJO (PASO 1).
El proyectista dispone de los siguientes datos: • Potencia en kVA
• Frecuencia
• Número de fases • Tipo de núcleo • Flujo
En particular cuando no se sabe que flujo imponer se puede utilizar el gráfico de la Figura 1.6 entrando con la potencia y como parámetro la relación de pérdidas cobre/hierro.
Dicho gráfico está dado para una frecuencia base de 50 Hz, para un transformador trifásico y un núcleo de 3 columnas.
Según sea el tipo de núcleo se debe ajustar el valor del flujo conveniente.
En los transformadores trifásicos acorazados los flujos de cada fase se cierran libremente, estos transformadores tienen características de funcionamiento idénticas a un banco trifásico de transformadores monofásicos independientes.
Si se cambia el sentido del flujo en la fase central, es decir invirtiendo las conexiones de los correspondientes circuitos (tanto primario como secundario) se tiene una distribución de flujos más ventajosa que permite reducir la sección de los yugos intermedios que resultan iguales a los yugos extremos ver Figura 1.7.
Es importante destacar la ventaja que presenta para grandes transformadores trifásicos adoptar un núcleo de 5 columnas debido a que el flujo en el yugo resulta un 60% del flujo en la columna y por lo tanto el núcleo resulta de menor altura que un núcleo de 3 columnas.
Análogamente los grandes transformadores monofásicos pueden tener 4 columnas, dos con devanados y las otras dos de retorno del flujo.
Si la frecuencia no es 50 Hz que es la del gráfico, se puede aumentar el flujo aplicando un factor CF.
El flujo se debe todavía ajustar, según el tipo de núcleo, aplicando un factor CT que se obtiene de la Tabla 1.4.
El programa inicia con los datos arriba indicados. Cualquiera de dichos valores puede ser nulo, el programa en tal caso adopta un valor oportuno.
Para determinar el flujo, el PASO1 del programa llama a la rutina FLUJO que recibe los datos del número de fases, tipo de núcleo, selecciona dentro del gráfico un flujo que corresponde a un transformador trifásico a 3 columnas y lo multiplica por los coeficientes CF y CT correspondientes, obteniéndose el flujo que se utiliza en el cálculo.
La rutina FLUJO utiliza a su vez la rutina INTLOG debido a que el diagrama está dado en escala logarítmica.
1.7 DETERMINACION DE LA CORRIENTE DE LAS BOBINAS (PASO 2).
El cálculo continúa con la definición de parámetros de la máquina y en particular los que corresponden a los arrollamientos. Para cada arrollamiento se define:
• Tensión en bornes • Tipo de conexión
• Regulación (el programa acepta hasta 5 topes)
Si el transformador es trifásico sus arrollamientos pueden estar conectados en: • Estrella (Y)
• Triángulo (D) • Zig-zag (Z)
según cual sea la conexión de los arrollamientos será la tensión aplicada al mismo y la corriente que por el circula.
Para el dimensionamiento de los arrollamientos se deben referir los datos del transformador al número de fases, modo de conexión y tipo de núcleo, es decir, la tensión y potencia del transformador, determinan la tensión y potencia de la columna. Si el transformador es monofásico y de columnas (2 columnas) el arrollamiento está dividido en ambas columnas y obviamente la potencia en cada una de las partes es la mitad, la tensión y corriente se pueden determinar en consecuencia.
Si el transformador es trifásico la "potencia de la columna" es la tercera parte, según sea la conexión será la tensión aplicada al arrollamiento y se determina la corriente.
Por ejemplo los transformadores de distribución que se utilizan para la alimentación de baja tensión (380/220 V) desde la red de media tensión 13,2 kV, son de relación 13,2/0,4 kV y conexión Dy 11; la tensión de columna es respectivamente 13.2 y 0.4/√ 3 kV para alta y baja tensión.
Un transformador con arrollamiento en zig-zag tiene una tensión que, por el defasaje entre las semibobinas de una misma fase, es √ 3/2 veces menor que la que se tendría si se conectaran en serie las dos semibobinas de la misma columna.
En consecuencia la potencia de dimensionamiento de un arrollamiento en zig-zag debe ser 2/√ 3 = 1,15 veces mayor que la de chapa correspondiente al transformador.
El dimensionamiento en tensión del arrollamiento se hace suponiendo un cambio de conexiones y calculando un arrollamiento en triángulo para una tensión 2U/3 (o en estrella para 2U/√ 3) siendo U la tensión de línea en (kV).
Las bobinas del triángulo (o de la estrella) se dividen en mitades iguales que se conectan en zig-zag obteniéndose el arrollamiento deseado como se observa en la Figura 1.8.
En carga la tensión en bornes secundarios varía según el estado de carga, el factor de potencia y ciertos parámetros del transformador -tensión de cortocircuito y pérdidas en cortocircuito-.
Para compensar las variaciones de tensión de la instalación, los transformadores normalmente tienen regulación adecuada; volviendo al ejemplo de los transformadores de distribución la regulación es ± 2× 2,5%.
1.8 VARIACION DE LA RELACION DE TENSION.
Los transformadores no están provistos con topes a menos que la especificación lo solicite. Cuando se requieren topes, se deberá indicar si los cambios de relación de transformación se realizarán a transformador desconectado o bajo carga.
El comprador deberá indicar para que topes, además del tope principal, el constructor deberá suministrar los valores de pérdidas.
Los límites de temperatura (garantizados y que se controlan en los ensayos) son válidos para todos los topes.
La variación de la relación de transformación y de las tensiones propias de un arrollamiento se puede obtener con uno de los siguientes modos:
1.8.1 Con flujo magnético constante (RFC)
Los topes se encuentran en el arrollamiento al cual se le varía la tensión.
Con el correcto valor de la tensión aplicada la máquina funciona con flujo magnético constante.
Se pueden presentar dos variantes:
Variante 1: se mantiene la plena potencia para cualquier tope.
Ej.: potencia nominal: 40 MVA tensiones nominales: 66 kV/20 kV
devanado con topes: 66 kV (variación ± 10%) número de topes: 11
Variante 2: con topes de potencia reducida, se debe indicar cual es el tope de máxima
corriente la tabla que sigue es un ejemplo:
TOPE (%) UAT (kV) IAT (A) S (MVA)
+10.0 72.6 318 40
+6.6 70.4 328 40 +5.0 69.3 333 40 +3.3 68.2 339 40 +1.6 67.1 344 40 0.0 66.0 350 40 -2.5 64.4 359 40 -5.0 62.7 368 40 -7.5 61.1 368 39 -10.0 59.4 368 38
la máxima corriente se tiene para el tope -5%.
Esto significa que en ausencia de indicaciones suplementarias, la corriente en el arrollamiento de AT se limita a 368 A y desde el tope -5% hasta el tope extremo de -10% la potencia se reduce de 40 a 38 MVA.
1.8.2 Con flujo magnético variable (RFV)
Los topes se encuentran en un arrollamiento distinto al cual se le varía la tensión.
Con el correcto valor de la tensión aplicada la máquina funciona con flujo magnético variable al cambiar el tope.
Se pueden presentar dos variantes:
Variante 1: se mantiene la potencia para cualquier tope.
Ej.: potencia nominal: 20 MVA tensiones nominales: 66 kV/6 kV
devanado con topes: 66 kV (variación +15% -5%) número de topes: 11
variación de la tensión del devanado de 6 kV: 6,32 kV/ 6 kV/ 5,22 kV.
Variante 2: con topes de potencia reducida, se debe indicar cual es el tope de máxima
corriente: por ejemplo +5% (BT = 5,71 kV). La tabla siguiente muestra el ejemplo.
TOPE (%) UAT (kV) UBT (kV) IBT (A) S (MVA)
+12.5 66.0 5.33 2020 18.6 +10.0 66.0 5.45 2020 19.0 +7.5 66.0 5.58 2020 19.5 +5.0 66.0 5.71 2020 20.0 +2.5 66.0 5.85 1974 20.0 0.0 66.0 6.00 1925 20.0 -1.25 66.0 6.08 1899 20.0 -2.5 66.0 6.15 1878 20.0 -3.75 66.0 6.23 1853 20.0 -5.0 66.0 6.32 1827 20.0
Esto significa que la corriente del arrollamiento de BT se limita a 2020 A y desde el tope +5% hasta el extremo +15% la potencia se reduce de 20 a 18.2 MVA.
1.8.3 Regulación mixta (RM)
Se trata de la combinación y uso de los dos métodos de regulación anteriormente descriptos.
En estos casos se debe indicar cual es el tope al cual corresponde la máxima tensión (ej.: +6%) y cual es el tope al cual corresponde la máxima corriente (ej.: -9%); la Tabla 1.5 muestra un ejemplo.
TABLA 1.5 - Característica de un transformador con regulación mixta (RM)
Topes Relación de transformación
Tensiones Corrientes Potencia
UAT (kV) UBT (kV) IAT (A) IBT (A) MVA 1 (+15%) 9.20 169.6 18.43 125.6 1155 36.86 7 (+6%) 8.48 169.6 20.00 136.2 1155 40.00 11 (0%) 8.00 160.0 20.00 144.4 1155 40.00 17 (-9%) 7.28 145.6 20.00 158.7 1155 40.00 21 (-15%) 6.80 136.0 20.00 158.7 1080 37.40
1.9 REGULACION BAJO CARGA
La Figura 1.9 muestra el esquema de regulación a transformador desconectado que se utiliza en los transformadores de distribución.
La Figura 1.10 muestra un esquema de regulación bajo carga que consiste en una llave inversora (+9-1) que permite conectar en forma aditiva o sustractiva el devanado de regulación.
Una llave selectora permite agregar o quitar los escalones del devanado de regulación y una llave conmutadora permite realizar el cambio de la relación de transformación sin interrumpir el circuito.
La Figura 1.10 muestra todo el devanado de regulación conectado en forma aditiva. Cuando se desea quitar la parte 1,2 del devanado de regulación la llave conmutadora en primer lugar conecta en serie con el devanado la resistencia r1, luego cortocircuita el tramo 1,2 agregando en serie la resistencia r2, que junto con r1 limitan la corriente, quedando excluido en ese instante el tramo 1,2 del devanado de regulación.
Finalmente termina su desplazamiento quitando la resistencia r2 que quedaba conectada en serie con el devanado.
El paso de una toma a la siguiente se realiza en un tiempo muy breve y por consiguiente las resistencias son atravesadas por la corriente durante un tiempo muy corto.
1.10 DIMENSIONAMIENTO DE LOS ARROLLAMIENTOS.
Se debe destacar que para el dimensionamiento de los devanados o arrollamientos es necesario determinar la tensión máxima correspondiente al arrollamiento teniendo en cuenta para ello el tope máximo de su regulación.
Con el valor máximo de regulación se determina la tensión máxima de cada arrollamiento. Con el número de fases, tipo de conexión, la potencia, tipo de núcleo y para la tensión nominal se calcula la corriente de cada bobina en amperios. Para ello el programa determina la potencia de cada columna y las tensiones correspondientes a cada una de las bobinas. La rutina CORRIE determina la corriente del arrollamiento utilizando los factores de la Tabla 1.6.
TABLA 1.6 - Tensión y potencia por columna
TRIFASICO MONOFASICO
Triángulo (3) Estrella (1) Columnas Acorazado Tensión Uc = U Uc = U / √ 3 Uc = U / 2 Uc = U Potencia Pc = P / 3 Pc = P / 3 Pc = P / 2 Pc = P
Los arrollamientos de distintas tensiones de un transformador deben estar muy próximos para que concatenen el máximo flujo posible (flujo común).
1.11 FORMAS DE LOS ARROLLAMIENTOS.
Las formas constructivas mas simples son: • devanado alternativo
según se muestran en la Figura 1.11.
El arrollamiento concéntrico facilita el aislamiento entre primario y secundario. Generalmente el arrollamiento de menor tensión se coloca cerca del núcleo y el de mayor tensión concéntricamente sobre este, interpuesta entre ambos la aislación.
Para casos particulares donde la sección de los conductores del arrollamiento de baja tensión es grande (transformadores de horno, de soldadura, especiales para alimentar ensayos con grandes corrientes), el arrollamiento de baja tensión es exterior para facilitar su conexión a la carga.
El arrollamiento concéntrico es muy utilizado en los diseños y construcciones actuales de transformadores con núcleo a columnas pequeños, medianos y hasta las grandes máquinas de muy alta tensión.
El devanado alternativo es en cambio raramente utilizado en núcleos a columnas y si en cambio en transformadores acorazados.
Este tipo constructivo presenta dificultades de aislación ya que el devanado de alta tensión se encuentra relativamente cerca del núcleo e intercalado con el arrollamiento de baja tensión.
1.12 AISLACION DE LOS ARROLLAMIENTOS CONCENTRICOS.
Los arrollamientos deben ser capaces de soportar los esfuerzos dieléctricos debidos a las condiciones normales de servicio y bajo condiciones más severas como sobretensiones de maniobra y de origen atmosférico, cuyos valores se han fijado con el nivel de aislación.
Para el diseño de los aislamientos entre los devanados y tierra y entre los distintos devanados se utilizan los criterios mostrados en las Figura 1.12 y Figura 1.13.
La distancia total de aislamiento se divide en angostos canales de aceite utilizando para ello láminas de cartón precomprimido (transformerboard) interpuestas. Estas barreras aislantes deben además permitir una cómoda refrigeración por medio de la circulación de aceite.
La aislación entre los distintos arrollamientos es obtenida con cilindros de papel o cartón de celulosa pura separados por canales de aceite obtenidos mediante varillas, también de cartón, adecuadamente intercaladas.
En las extremidades la aislación hacia los yugos es obtenida mediante collares abridados de papel o de cartón y por sectores a diafragmas de cartón, separados por canales de aceite Figura 1.14.
Para una mejor distribución del campo eléctrico en correspondencia de las cabezas de los arrollamientos, estos están provistos de anillos equipotenciales.
El anclaje y prensado de los arrollamientos es realizado con bloques y anillos de madera y cartón en los transformadores en aceite, las máquinas secas se realizan en forma similar pero con otros materiales aislantes.
1.13 DISEÑO DE LOS DEVANADOS CONCENTRICOS.
A los efectos de disminuir las pérdidas adicionales y reducir al mínimo los esfuerzos mecánicos que se pueden presentar durante un cortocircuito se requiere lograr, y mantener entre los arrollamientos y a lo largo de toda su altura, un equilibrio total de los amperios espiras.
Los arrollamientos se dividen en arrollamientos principales y de regulación.
Básicamente se utilizan dos alternativas para los arrollamientos principales que son el devanado tipo a discos y el tipo hélice.
La elección entre estos tipos de arrollamientos está condicionada por el número de espiras y por la corriente.
A modo orientativo se puede afirmar que los devanados que tienen muchas espiras y bajas corrientes serán del tipo a disco.
En cambio los arrollamientos con pocas espiras y altas corrientes se eligen preferiblemente de tipo hélice.
1.14 DEVANADOS A DISCOS.
Los arrollamientos a discos se construyen conectando en serie galletas.
Llamamos galleta a un devanado de tipo concéntrico continuo que puede tener una o más capas y cada capa puede estar constituida por una o más espiras.
Estas galletas están separadas entre si en sentido axial, por canales radiales de refrigeración.
En el caso particular de tener una galleta una sola espira por capa y varias capas la llamamos disco.
El número de espiras por capa por el número de capas constituye el número de espiras totales de la galleta.
Cuando cada galleta está formada por varias planchuelas en paralelo, se deben realizar transposiciones.
Las transposiciones se utilizan para lograr que todas las planchuelas, ocupando la misma posición relativa en el devanado, tengan la misma impedancia y en consecuencia las corrientes se distribuyan uniformemente; se simetriza así el devanado y se reducen las pérdidas adicionales.
Los devanados de alta y muy alta tensión desde 33 kV en adelante se realizan comúnmente de este modo.
En máquinas de alta y muy alta tensión (EHV) se entrecruzan las planchuelas (devanado denominado "interleaved") para incrementar la capacidad serie, es decir, entre espiras, lo cual produce una mejor distribución de la tensión durante la aplicación de una sobretensión de tipo atmosférico.
La Figura 1.15 muestra una bobina de alta tensión a disco realizada con 28 espiras interpuestas en dos secciones.
En la Figura 1.16 se observan los resultados obtenidos en los ensayos realizados, con la totalidad de las espiras de un devanado de estas características, con un generador de impulsos recurrentes de baja tensión, estando el transformador seco (sin impregnar en aceite) y fuera de la cuba.
La curva 1 representa la distribución inicial obtenida con una onda plena de frente muy rápido (0.4/50 microsegundos); la curva 2 muestra la envolvente de las tensiones máximas contra tierra en los distintos puntos del arrollamiento con onda plena de 1/50 microsegundos.
Se observa como la envolvente coincide sensiblemente con la recta 3 que representa la distribución uniforme.
Además las tensiones medidas entre bobinas, a lo largo del arrollamiento, resultaron menores del 7% de la amplitud de la onda 1/50, lo cual evidencia una reducida
Se calculó para el transformador seco el coeficiente de sobretensión ALFA=3.2 (√ [Cd/Cs] siendo Cd y Cs las capacidades a masa y entre espiras del devanado) y la curva 4
es la característica teórica correspondiente a la distribución inicial.
Con el transformador impregnado el valor de ALFA aumenta alcanzando 3.5 y como consecuencia de ello se produce un insignificante empeoramiento de la distribución inicial y de la envolvente de las solicitaciones máximas respecto al transformador seco. Cuando un devanado con aislación gradual (alta tensión) se encuentra ubicado en la parte externa de una misma columna, frecuentemente se lo realiza con la entrada en la parte media de la bobina Figura 1.17.
El arrollamiento se construye en dos mitades con la dirección de devanado en oposición y conectados en paralelo. De este modo se logra un mejor aprovechamiento del espacio disponible en la ventana del núcleo.
1.15 DEVANADO EN HELICE.
Los devanados tipo hélice están realizados formando una hélice o tornillo. El conductor está dividido en un cierto número de planchuelas.
Los arrollamientos a hélice presentan por su naturaleza en los extremos superior e inferior, una superficie que no es perpendicular al eje del arrollamiento, sino inclinada según sea el paso correspondiente de la hélice.
Para permitir el apoyo con las superficies horizontales de los yugos y de los elementos de sujeción, indispensables para la fijación axial de los arrollamientos y para asegurar su resistencia mecánica e indeformabilidad a los esfuerzos electrodinámicos, es necesario utilizar adecuados elementos que constituyen las llamadas "falsas espiras". Las falsas espiras como muestra la Figura 1.19, consisten en cuñas realizadas a partir de un cilindro de adecuado material aislante, y que ocupan el lugar que deja libre el conductor de la hélice del bobinado.
Los diámetros interno y externo de la falsa espira coinciden respectivamente con los diámetros interno y externo del arrollamiento.
La diferencia H1-H2 entre las distancias indicadas en la Figura 1.19, es igual a la altura axial de una espira.
Un arrollamiento continuo tipo hélice puede estar conformado por una o más capas. Generalmente si se trata de un arrollamiento de baja tensión el mismo puede tener dos o
Las capas deben estar completas para tener una uniforme distribución de los amper espiras (condición importante frente a solicitaciones electrodinámicas).
Entre las capas podrán eventualmente disponerse canales axiales si las solicitaciones térmicas así lo requieren.
1.16 DETALLES CONSTRUCTIVOS DE LOS DEVANADOS DE REGULACION.
Los arrollamientos de regulación se diseñan dentro del tipo hélice, donde las espiras para cada tope de regulación están distribuidas a lo largo de toda la altura del arrollamiento.
Los devanados de regulación se pueden considerar como arrollamientos en hélice los cuales están realizados con un manojo de conductores. Cada conductor forma un devanado en hélice completando una capa y que corresponde a un escalón del campo de regulación Figura 1.18.
Cada uno de estos devanados en hélice se conecta en serie. Las conexiones a los contactos del conmutador se realizan entre devanados consecutivos. Para cualquier posición del conmutador la distribución de los amper vueltas a lo largo de la columna será uniforme, lográndose de este modo hacer mínimos los esfuerzos mecánicos en el caso de un cortocircuito.
1.17 TRANSPOSICIONES.
La gran mayoría de los arrollamientos de alta tensión de los transformadores de distribución se realizan con conductor redondo, aislado con esmalte, cuyo diámetro no supera normalmente los 3 mm. En máquinas de gran potencia los arrollamientos se realizan con planchuelas y las más frecuentemente utilizadas tienen normalmente una sección que no supera los 30 a 40 mm2.
Ello se debe a que planchuelas demasiado gruesas imponen esfuerzos demasiado grandes para construir el arrollamiento dificultando su ejecución, con riesgo de dañar el aislamiento.
Cuando se requieren secciones mayores se recurre al uso de planchuelas en paralelo que se deben transponer para reducir las pérdidas en el conductor.
La ejecución de las transposiciones es la operación que requiere el mayor empleo de tiempo en la construcción de los arrollamientos a hélice; las mismas aumentan las dimensiones del arrollamiento y constituyen los puntos delicados desde el punto de vista del aislamiento y de la capacidad de soportar esfuerzos electrodinámicos; por estos motivos es necesario reducir en cuanto sea posible el número de transposiciones a realizar.
Una cierta desuniformidad en la repartición de las corrientes entre las diversas planchuelas en paralelo es tolerable sin un excesivo agravio de las pérdidas.
Esta exigencia se contrapone con la resistencia al cortocircuito para máquinas de gran potencia y para ello se utiliza el cable transpuesto, formado por planchuelas aisladas entre si con esmalte, sobre las cuales se deposita una capa de resina epóxica en estado de semipolimerización.
A cada una de estas planchuelas se le hace ocupar sucesivamente y repetidamente todas las posiciones posibles dentro de la sección total del conductor mediante transposición continua realizada a máquina.
El conjunto de todas las planchuelas se encinta con papel de celulosa pura.
El número de planchuelas que componen el cable adoptado por algunos fabricantes, siempre impar por razones constructivas, está comprendido entre 5 y 29.
Estas planchuelas se sobreponen formando dos columnas una al lado de la otra con alturas diferentes, separadas entre si con papel.
El número de papeles aislantes aplicados como encintado externo permite realizar distintos espesores comprendidos entre 0,4 y 3 mm.
