4.2 transformadores de potencia · 1 núcleo de hierro 2 devanados 3 cuba 4 radiadores 5 depósito...
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4.2 Transformadores de potencia
• 4.2.1 Generalidades• Descripción• Circuito magnético• Circuito eléctrico• Refrigeración• Aspectos constructivos
• 4.2.2 Principio de funcionamiento• El transformador ideal• Funcionamiento en vacío• Funcionamiento en carga
• 4.2.3 Circuito equivalente• Reducción al primario• Circuito equivalente exacto• Circuito equivalente aproximado
• 4.2.4 Transformadores trifásicos• Descripción• Grupos de conexión
4.2 Transformadores de potencia
• 4.2.5 Ensayos del transformador• Ensayo de vacío• Ensayo de cortocircuito
• 4.2.6 Rendimiento del transformador• Pérdidas en el transformador• Rendimiento
• 4.2.7 Regulación de tensión• Caída de tensión• Regulación de tensión: cálculo aproximado• Efecto Ferranti
• 4.2.8 Placa de características• 4.2.9 Datos de catálogo
• Máquina eléctrica que se utiliza en la red eléctrica para cambiar los niveles de tensión• Pérdidas muy reducidas: potencia de entrada casi igual a la de salida
• Componentes básicos:– Circuito magnético– Devanados primario y secundario
• El devanado de mayor tensión presenta menores intensidades que el de menor (porque la potencia es casi constante)
• Relación de transformación:rt=U1/U2– Transformador elevador: rt<1– Transformador reductor: rt>1
4.2.1 GeneralidadesDescripción
Secundario
U1
Núcleo de chapa magnética aislada
Primario
Flujo magnético
U2
I2I1• Características principales:
– Tensiones nominales: U1n, U2n
– Potencia aparente nominal: Sn
– Intensidades nominales: I1n, I2n
– Frecuencia nominal
• Apilamiento de chapas de material ferromagnético de pequeño espesor• Las chapas están aisladas para reducir pérdidas por corrientes parásitas• Tipos de núcleos magnéticos de transformadores monofásicos:
4.2.1 GeneralidadesCircuito magnético
• El núcleo suele aproximarse a una sección circular a base de paralelepípedos• Posibles tipos de unión de las chapas: solape y tope• Posibles tipos de corte de las chapas: 45 y 90 grados
AcorazadoNormal
Columnas
Culatas
Unión a tope Unión a solape Sección columna
• Forma circular dispuestos concéntricamente a la columna• Compuestos por conductores aislados entre si:
– Hilos de cobre esmaltados (trafos de pequeña potencia)– Pletina de cobre encintada (trafos de elevada potencia)
• Devanado de baja tensión siempre en el interior para disminuir los gradientes de tensión, pues el núcleo está puesto a tierra
• Disposiciones:
4.2.1 GeneralidadesCircuito eléctrico
Baja tensión
Alta tensión
Aislamiento
Devanados concéntricos Devanado en galletas
4.2.1 GeneralidadesCircuito magnético y eléctrico
Detalle de un núcleo magnético Proceso de conformado de un devanado
• Pérdidas en el transformador:– Núcleo magnético (histéresis y corrientes parásitas)– Joule en los devanados
• Necesidad de evacuar las pérdidas para mantener la temperatura por debajo del límite térmico de los aislamientos: elevada superficie específica
• Propiedades del medio refrigerante:– Alta conductividad térmica– Alta rigidez dieléctrica
• Posibilidades:– Baño de aceite (transformadores en baño de aceite)– Resina epoxídica (transformadores secos)
• Tipos de refrigeración en transformadores:– Exterior (natural o forzada)– Interior (natural o forzada)
• Notación del tipo de refrigeración. Ejemplos:– OFAF (Oil Forced Air Forced): refrigeración interior y exterior forzada– ONAN (Oil Natural Air Natural): refrigeración interior y exterior natural– ONAF (Oil Natural Air Forced): refrigeración interior natural y exterior forzada
4.2.1 GeneralidadesRefrigeración
4.2.1 GeneralidadesRefrigeración
Transformador en aceite Transformador seco
4.2.1 GeneralidadesAspectos constructivos
Transformador en aceite
1
2
3
4
5
6
7
8
1 Núcleo de hierro
2 Devanados
3 Cuba
4 Radiadores
5 Depósito de expansión
6 Bornas de alta tensión
7 Bornas de baja tensión
8 Placa de características
4.2.2 Principio de funcionamientoEl transformador ideal
• Hipótesis de funcionamiento:– Devanados:
• Sin pérdidas Joule• Sin flujos de dispersión
– Circuito magnético:• Sin pérdidas en el hierro• Permeabilidad infinita (posibilidad de existencia de flujo sin consumo de intensidad
magnetizante)
• Ecuaciones:– Segunda ley de Kirchhoff en cada devanado
U1 U2
I2I1
E1 E2
==
==
dtd
Neu
dtd
Neu
φ
φ
222
111
trNN
UU
fNUfNU
==⇒
==
2
1
2
1
22
11
44.444.4
φφ
4.2.2 Principio de funcionamientoEl transformador ideal
• Ecuaciones:– Circuito magnético asociado
+F1=N1I1
+F2=N2I2
RF
trII
ININ1
02
1221121 =⇒=−⇒=− φRFF
• El transformador ideal es una dispositivo teórico que no existe en realidad• A partir de este modelo ideal se incorporarán cada una de las simplificaciones
enunciadas anteriormente para obtener el modelo del transformador real• Modelo del trafo ideal
I1 I2rt:1
U1 U2
+ +
- - trII 1
2
1 =
trNN
UU
==2
1
2
1
4.2.2 Principio de funcionamientoEl transformador real: funcionamiento en vacío
• Transformador en vacío: no se tiene conectada ninguna carga en el secundario• Introducción de la permeabilidad finita del circuito magnético:
– Se necesita una intensidad para magnetizar el núcleo– Se calcula a partir de la curva de magnetización B-H punto a punto
• Conclusiones:– La intensidad de vacío no es senoidal sino deformada debida a la saturación– La intensidad de vacío está en fase con el flujo– Si se considera la senoide equivalente se puede hacer un diagrama fasorial
U
I0 F
4.2.2 Principio de funcionamientoEl transformador real: funcionamiento en vacío
• Introducción de las pérdidas en el circuito magnético– Ahora la curva de magnetización describe el ciclo de histéresis– Se calcula de forma similar a la anterior
• Conclusiones:– La intensidad de vacío no es senoidal sino deformada (saturación e histéresis)– La intensidad de vacío adelanta al flujo– Si se considera la senoide equivalente se puede hacer un diagrama fasorial
Ife: Componente de pérdidas en el hierro
Im: Componente de magnetización
U
Im FIFe
Iofo
Io: Intensidad de vacío
4.2.2 Principio de funcionamientoEl transformador real: funcionamiento en vacío
• Modificación del circuito equivalente del transformador para tener en cuenta:
– Permeabilidad finita del material: Im retrasa a la tensión è reactancia Xm
– Pérdidas en el hierro: Ife en fase con la tensión è resistencia Rfe
U1= E1
Im FIFe
Iofo
Io 0rt:1
E1 E2= U2
+ +
- -
RFe jXm
0
U1
+
-
IFe Im
4.2.2 Principio de funcionamientoEl transformador real: funcionamiento en vacío
• Modificación del circuito equivalente del transformador para tener en cuenta:– Resistencia del devanado primario: R1
– Flujo de dispersión en el devanado primario: X1
• La tensión primaria no es idéntica a la fuerza electromotriz E1 y E2
E2= U2
Io 0rt:1
E1
+ +
- -
RFe jXm
0
U1
+
-
IFe Im
R1 jX1U1
E1
Im FIFe
Iofo
R1Io
jX1Io
4.2.2 Principio de funcionamientoEl transformador real: funcionamiento en carga
• Transformador en carga: se conecta una carga en el secundario (circula intensidad)• En el devanado secundario existirán los mismos efectos que en el primario:
resistencia y reactancia de dispersión
U1
E1
F
I1
R1I1
jX1I1
E2
I1= I0+ I2/rt I2rt:1
E1
+ +
- -
RFe jXm
I2/rt
U1
+
-
IFe Im
R1 jX1 R2 jX2
U2
+
-
E2
U2
F
I2
R2I2
jX2I2
4.2.3 Circuito equivalenteReducción al primario
• Un circuito eléctrico que incluye transformadores no tiene un único nivel de tensión• Para resolver este inconveniente se puede realizar la reducción a uno de los
devanados. En el transformador ideal:
trII 1
2
1 =trNN
UU
==2
1
2
1
==
⇒=⇒=c
'c
'
c2c2 ZZIZU
IZUIZU 211
12
1t
ct r
r
• La impedancia se ve desde el primario con valor Z’c
• Las magnitudes que están en un secundario y se reducen al primario se notarán M’• Las magnitudes que están en un primario y se reducen al secundario se notarán M’’• Con la reducción a uno de los devanados desaparece el transforma dor ideal del
circuito, existiendo un único nivel de tensión
I1 I2rt:1
U1 U2
+ +
- -
Zc
Z’c
4.2.3 Circuito equivalenteCircuito equivalente exacto
• Consiste en reducir a uno de los devanados, generalmente el primario
I1
E1=E´2
+
-
RFe jXm
I´2
U1
+
-
IFe Im
R1 jX1 R´2 jX’2
U´2
+
-
E1=E´2
U´2
FI´2
R2I´2
jX2I´2
I0I1
U1
R1I1
jX1I1
4.2.3 Circuito equivalenteCircuito equivalente aproximado
• La resistencia y reactancia de dispersión son tan pequeñas que la fuerza electromotriz E1 puede suponerse igual a la U1, lo que plantea una simplificación
U´2
I1
RFe jXm
I´2
U1 =E1=E´2
+
-
IFe Im
R1 jX1 R´2 jX’2
+
- (R1+ R´2 )I´2
F
U´2
I´2
j(X1+X´2)I´2
I0I1
U1=E1=E´2
• La suma de las impedancias primaria y secundaria se denomina impedancia de cortocircuito:
22
21
21cccccc
cc
cc XRZXXXRRR
+=⇒
′+=
′+=
4.2.4 Transformadores trifásicosDescripción
• La transformación trifásica se puede realizar a partir de:– Banco trifásico de tres transformadores monofásicos
• Se pueden realizar conexiones en estrella o en triángulo tanto en primario como en secundario
R
1º
2º T1
1º
2º T2
1º
2º T3
rst
ST
Banco estrella-estrella
R
1º
2º T1
1º
2º T2
1º
2º T3
rst
ST
Banco triángulo-triángulo
4.2.4 Transformadores trifásicosDescripción
• La transformación trifásica se puede realizar a partir de:– Transformador trifásico de tres columnas:
• Cada columna contiene los devanados de alta y baja de una fase
Fase R Fase S Fase T
Baja tensión
Alta tensión
Aislamiento
• Las conexiones de estas bobinas pueden ser en estrella y en triángulo
4.2.4 Transformadores trifásicosGrupos de conexión
• Designación de los transformadores trifásicos: dos letras más un número– Primera letra: conexión del devanado de alta tensión
• Estrella: Y• Triángulo: D
– Segunda letra: conexión del devanado de baja tensión:• Estrella: y• Triángulo: d
– Número: índice horario• Se refiere al ángulo de desfase de las tensiones secundarias con
respecto a las primarias• La tensión primaria se toma como origen de fases a las “12 horas” • El índice horario se refiere a la “hora que está marcando” la tensión
secundaria (ángulo de desfase en grados dividido por 30)
– Ejemplo: Yy0• Devanado de alta tensión en estrella• Devanado de baja tensión en estrella• Desfase nulo
UR
USUT
Ur
UsUt
4.2.4 Transformadores trifásicosGrupos de conexión
• Designación de los transformadores trifásicos: dos letras más un número
– Ejemplo: Yy6• Devanado de alta tensión en estrella• Devanado de baja tensión en estrella• Desfase 180 grados
– Ejemplo: Dy11• Devanado de alta tensión en triángulo• Devanado de baja tensión en estrella• Desfase 30 grados
– Ejemplo: Dy5• Devanado de alta tensión en triángulo• Devanado de baja tensión en estrella• Desfase -150 grados
UR
USUT Ur
UtUs
UR
USUT
Ur
Us
Ut
UR
USUT Ur
Us
Ut
4.2.5 Ensayos del transformadorObjeto
• Deducido el circuito equivalente del transformador se necesita conocer el valor de cada uno de sus parámetros
• Para ello se procede al ensayo de los transformadores en laboratorio• Medidas a adquirir durante el ensayo:
– Tensiones– Intensidades– Potencias
• Son idénticos tanto para el caso monofásico como para el trifásico– En el ensayo trifásico se miden magnitudes de línea y potencias trifásicas
• Los ensayos determinarán los valores del circuito equivalente aproximado del transformador:
– Ensayo de vacío: rama de magnetización– Ensayo de cortocircuito: impedancia de cortocircuito
4.2.5 Ensayos del transformadorEnsayo de vacío
• Condiciones de realización del ensayo:– Secundario abierto (sin carga)– Tensiones de alimentación primarias cercanas a la nominal. Si la tensión es
la nominal, el ensayo se realiza en condiciones nominales• Medidas que se realizan:
– Tensión de vacío primaria y secundaria: U10 y U20
– Intensidad de vacío: I0– Potencia de vacío: P0
• Esquema del ensayo
U10 U20
I0
V
A W
V
4.2.5 Ensayos del transformadorEnsayo de vacío
• Circuito equivalente aproximado asociado al ensayo:
I0
jXmRFeU1 =E1=E´2
+
-
IFe Im U1= E1
Im FIFe
Iofo
• Cálculo de los parámetros de la rama de magnetización (caso monofásico):
ooo
oo IU
Pϕϕ ⇒=cos
=⇒=
=⇒=→
µµµ
ϕ
ϕ
ϕ
IU
XII
IU
RIII
ooo
Fe
oFeooFe
oo
sin
cos
4.2.5 Ensayos del transformadorEnsayo de cortocircuito
• Condiciones de realización del ensayo:– Secundario cortocircuitado– Intensidad de alimentación primarias cercanas a la nominal. Si la intensidad
es la nominal, el ensayo se realiza en condiciones nominales• Medidas que se realizan:
– Tensión de cortocircuito: Ucc
– Intensidad de cortocircuito: Icc
– Potencia de cortocircuito: Pcc
• Esquema del ensayo
Ucc
Icc
V
A W
4.2.5 Ensayos del transformadorEnsayo de cortocircuito
• Circuito equivalente aproximado asociado al ensayo:
Rcc jXccIcc
Ucc
+
-
RccIcc
jXccIcc
Icc
Ucc
fcc
• Cálculo de los parámetros de la rama de cortocircuito (caso monofásico):
cccccc
cccc IU
Pϕϕ ⇒=cos
==
→=cccccc
cccccc
cc
cccc ZX
ZR
IU
Z cc
ϕϕϕ
sincos
4.2.6 Rendimiento del transformadorBalance de pérdidas
• Las pérdidas del transformador son:– Pérdidas Joule del devanado primario
– Pérdidas del hierro
– Pérdidas Joule del devanado secundario
• Utilizando el circuito equivalente aproximado, dichas pérdidas se concentran en:– Pérdidas Joule en los devanados
– Pérdidas del hierro
2111 IRPJ =
2222 IRPJ =
221
FeFeFe
Fe IRRE
P ==
2'2IRP cccc =
22
FeFeFe
Fe IRRU
P ==
4.2.6 Rendimiento del transformadorRendimiento
• El rendimiento se define como el cociente entre la potencia cedida y la absorbida:
• En función de la potencia cedida por el secundario y las pérdidas:
• Definición de índice de carga:
• Se puede obtener una expresión aproximada si se supone:
111
222
1
2
coscos
ϕϕ
ηIUIU
PP
==
2222222222 coscoscos ϕϕϕ nnnn cScIUIUPUU =≈=⇒≈
ccFe PPPP
PP
++==
2
2
1
2η
ccnFen
n
PcPcScS
22
2
coscos
++=
ϕϕ
ηccnncccccc PcIcRIRP 22'
222'
2 ===
nn SS
II
c 2
2
2 ≈=
4.2.7 Regulación de tensiónCaída de tensión
• Transformador en vacío: si se alimenta a tensión nominal la tensión secundaria es la nominal: U2n
• Transformador en carga: si se alimenta a tensión nominal la tensión secundaria no es la nominal: U2c
• Definición de caída de tensión
• Regulación de tensión: expresión de la caída de tensión en por unidad:
cnU 22 UU −=∆
n
cn
n
cnc
1
21
2
22
UU'U
UUU −
=−
=ε
4.2.7 Regulación de tensiónCálculo aproximado
• Expresión aproximada de la regulación de tensión utilizando el circuito equivalente aproximado:
RccI´2
U´2
jXccI´2
U1
f
f
A
B
C
DBCABCDBCABU +≈++=∆
ϕϕ coscos 1'2 ncccc IcRIRAB ==
ϕϕ sinsin 1'2 ncccc IcXIXBC ==
)sincos(1 ϕϕ ccccn XRcIU +=∆
)cos(1 ϕϕ −=∆ ccccnZcIU)cos(1
ϕϕεε −=∆
= ccccn
c cU
U
RccI´2U´2
I´2
jXccI´2U1
DU
f
4.2.7 Regulación de tensiónEfecto Ferranti
• El ángulo f se refiere al ángulo de la impedancia de carga:– Positivo para carga inductiva– Negativo para carga capacitiva
• Para cargas capacitivas es posible que:
• Significado: la tensión en el secundario en carga es mayor que la tensión de vacío• A este fenómeno se le denomina efecto Ferranti
00)cos(2
<⇒<−⇒>− ccccc εϕϕπ
ϕϕ
RccI´2
U´2
I´2
jXccI´2
U1
f
4.2.8 Placa de características
• Placa dispuesta en la cuba del transformador que contiene Información técnica:
4.2.8 Datos de catálogo
• Schneider Electric:
4.2.8 Datos de catálogo
• ABB:
4.2.8 Datos de catálogo• Otros fabricantes
15201600213025007605.0128801110017801.61000
14701450194020005805.010420890015201.6800
147013500174016505405.08425714012851.6630
12701300176015004705.06870578010901.7500
11001270158011804164.5566047309301.9400
970123011609803584.5444036757652.0300
1080117010207952804.0350528906152.1225
770111013606682164.0241019604502.4150
74098011405401753.5190515403652.6112.5
62094011004401603.5135510902653.075
6008908703401203.08907101803.545
6008907902801003.06505151353.630
590890700200533.0390310804.415
CBAP
total (W)
Pcu(W)Po(W)
MEDIDAS (mm)Peso Kg.
Aprox.
Litros de
aceite
Uz%
PERDIDASLo
% de in
KVA