MÁQUINAS ELÉCTRICAS III

1 IDENTIFICACIÓN DE LA ASIGNATURA

CODIGO: IE983 REQUISITO: IE643 CIRCUITOS ELÉCTRICOS II

IE833 ELECTROMAGNETISMO II PROGRAMA ACADEMICO: Ingeniería Eléctrica INTENSIDAD SEMANAL: 4 Horas DURACION: 16 Semanas

2 OBJETIVOS

-Estudiar los principios asociados a los conceptos de los circuitos eléctrico y magnético enlazados y su aplicación al estudio de los transformadores. -Preparar al estudiante en el conocimiento de las normas (ICONTEC, ANSI, IEC, etc.) que regulan el diseño, fabricación y pruebas de los transformadores comerciales. -Estudiar los elementos básicos (técnicos y económicos) que intervienen en el diseño de los transformadores.

3 CONTENIDO

UNIDAD 1. ¿QUE ES UN TRANSFORMADOR? ¿Qué es un transformador? Como funciona un transformador. Equilibrio ente flujo magnético, voltaje inducido y corriente de excitación. Equilibrio en el caso de voltaje alterno aplicado. Equilibrio cuando el transformador está cargado. Características de rendimiento. Diferencias entre un transformador con carga y otro en vacío. Normas ICONTEC, ANSI/IEEE, IEC sobre transformadores. Fenómenos que se presentan en un transformador energizado. DURACIÓN: 2 horas BIBLIOGRAFIA: 1 UNIDAD 2. EL CIRCUITO MAGNÉTICO Circuito magnético. ¿Cómo es el núcleo? Tipos de construcción del núcleo. Núcleos acorazados y columna. Características electromagnéticas de un núcleo. Flujo y corriente. Saturación. La curva de saturación. Diseño de núcleos con hierro de grano orientado. Ruido y constricción magnéticos. Magnetostricción y tensión mecánica. Resonancia. Resonancia del núcleo del transformador. Zumbido. Medida y control del nivel de ruido. Barreras contra el sonido. Diseño de transformadores silenciosos. Factor de espacio del núcleo. Pérdidas de energía en los núcleos ferromagnéticos. Métodos de separación de pérdidas: Método de las dos frecuencias, Método del factor de forma, Método de la temperatura y Método de la histéresis DC. Corrección de las pérdidas medidas por efecto de la distorsión de la forma de onda por el método de Asner (Aparece en la norma ANSI C57.12.90). Consideraciones tecno-económicas de la ecuación fundamental del transformador. Cálculo de las pérdidas en el hierro y de los voltiamperios de excitación. Problemas de aplicación. DURACIÓN: 6 horas BIBLIOGRAFÍA: 1, 4, 6, 7 Y 8.

UNIDAD 3. EL CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN TRANSFORMADOR MONOFÁSICO Introducción. Transformador ideal. Transformador no ideal de núcleo ideal. Concepto de flujos de dispersión y circuito equivalente parcial de un transformador. Corriente de magnetización y circuito equivalente exacto de un transformador. Concepto de inductancia propia y mutua. Coeficiente de acoplamiento y constantes asociadas a un transformador de núcleo lineal. Formas modificadas de los circuitos equivalentes. Circuitos equivalentes de los transformadores de núcleos ferromagnéticos. Diagramas complejos para un transformador de núcleo de hierro. Circuitos equivalentes aproximados de un transformador de núcleo de hierro. Determinación de los parámetros del circuito equivalente (Ensayos de corto circuito y circuito abierto). Circuito equivalente simplificado de un transformador. Problemas de aplicación. DURACIÓN: 6 horas BIBLIOGRAFÍA: 2, 4, Y 6. UNIDAD 4. CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA

Cálculo del circuito eléctrico del transformador: resistencia, reactancia de dispersión, tensión de cortocircuito, pérdidas en los devanados, pesos y dimensiones de los devanados. Regulación de voltaje de los transformadores de potencia. Pérdida en la carga. Rendimiento convencional. Rendimiento energético o cíclico. Ciclo de carga. Parámetros normalizados o en p.u. de un transformador de núcleo de hierro. Regulación y eficiencia en p.u. Problemas de aplicación. DURACIÓN: 6 horas BIBLIOGRAFÍA: 1, 3, 4, 5 Y 6. UNIDAD 5. AUTOTRANSFORMADORES Autotransformador ideal. Relaciones de tensiones y corrientes. Valores nominales. Pérdidas y rendimiento. Corriente de excitación. Circuitos equivalentes y fenómenos de impedancia. Ventajas y desventajas de los autotransformadores. Transformador de dos devanados trabajando como autotransformador. Problema de aplicación. DURACIÓN: 2 horas BIBLIOGRAFÍA: 4 Y 6. UNIDAD 6. AISLAMIENTO DE LOS DEVANADOS Características de un buen diseño de los devanados. Tipos de devanados: Devanados concéntricos y Devanados intercalados. Técnicas de devanados: Compensación de circuitos serie y paralelo, Devanados en capas, Bobina o devanado Helitran, Devanado concéntrico graduado, Devanado tipo disco continúo y Devanado tipo espira continuo. Voltajes a los cuales está sometido un devanado. Estructuras aislantes: Propiedades dieléctricas. El campo dieléctrico. Graduación del esfuerzo (Capacidad inductiva específica o constante dieléctrica). Efecto del tamaño de los electrodos. Forma de los electrodos. Los mecanismos de ruptura del aislamiento. Ruptura de aislamientos con voltajes unidireccionales. Velocidad de elevación del voltaje. Formación de corona en un fluido. Efecto de las coronas sobre el campo electroestático. Salto de chispa o corrimiento. Ruptura por alud de electrones en los sólidos. Cargas especiales. Rupturas de aislamientos con voltajes alternos. Consecuencias del efecto corona. Aplicación de la teoría a aislamientos de los transformadores. Materiales utilizados como aislamientos (Conferencia). Problemas de aplicación. DURACIÓN: 8 horas BIBLIOGRAFÍA: 1 Y 7. UNIDAD 7. TEMPERATURA DE LOS TRANSFORMADORES Temperatura en los transformadores desde el punto de vista del usuario y del diseñador. Forma general de cálculo de temperatura. Flujo de calor desde el cobre y a través de los aislamientos. Relación entre flujo de calor, flujo de aceite y temperatura. Flujo de termosifón, diagrama y medios empíricos para determinar el flujo del líquido y la temperatura de distribución. Flujo de calor desde el aceite al aire, circulación del termosifón. Radiación. División del tanque y los enfriadores en zonas verticales. Cálculos de temperatura: gradiente cobre-aceite. Ecuaciones de elevación de temperatura del aceite sobre el

ambiente y de los devanados sobre el aceite. Cálculos de la capacidad de carga de los transformadores en función del comportamiento térmico (Conferencia). Problemas de aplicación.

DURACIÓN: 6 horas BIBLIOGRAFÍA: 1 Y 7. UNIDAD 8. TRANSFORMACIONES POLIFÁSICAS Extensión de los conceptos del sistema monofásico al sistema polifásico. Tipos de núcleos trifásicos y comportamiento con los terceros armónicos. Polaridad de los devanados y su relación con los grupos vectoriales. Aplicación de los grupos vectoriales. Propiedades de las conexiones y comparación entre ellas desde los puntos de vista de: Terceros armónicos, desfases entre las fuerzas electromotrices primarias y secundarias. Comportamiento con cargas equilibradas y comportamiento en caso de fallas. Conexiones especiales: Conexión V-V, Conexión T-T y Conexión Zig-Zag. Transformador tridevanado. Banco trifásico con transformadores monofásicos vs. Transformador trifásico: Comparación técnico-económica. Problemas de aplicación. DURACIÓN: 10 horas

BIBLIOGRAFÍA: 2, 3 Y 4. UNIDAD 9. OPERACIÓN EN PARALELO DE TRANSFORMADORES Condiciones que han de cumplir los transformadores para que el funcionamiento en paralelo sea posible. Grupos Vectoriales compatibles. Realización práctica del acoplamiento. Problemas de aplicación DURACIÓN: 4 horas BIBLIOGRAFÍA: 2, 3 Y 4. UNIDAD 10. EFECTOS DE LAS IMPEDANCIAS DE LOS TRANSFORMADORES Y FENOMENOS DE ARMONICOS EN LOS CIRCUITOS TRIFASICOS Circuitos equivalentes monofásicos para condiciones de equilibrio. Armónicos en los sistemas monofásicos. Armónicos en los sistemas trifásicos. Primarios conectados en triángulo y en estrella. Igualación de las tensiones de los neutros en los bancos estrella-estrella. Impedancias de secuencia cero, positiva y negativa en un transformador trifásico de núcleo único. Problemas de aplicación. DURACIÓN: 6 horas BIBLIOGRAFÍA: 4. UNIDAD 11. CONFERENCIAS Materiales para la fabricación de transformadores. Aspectos técnicos sobre fallas de transformadores. La temperatura en los transformadores. DURACIÓN: 8 horas

4 METODOLOGIA

Clase teórica presencial. Complemento del tema en tareas y ejercicios. Algunas demostraciones prácticas.

5 EVALUACION

Se desarrolla con base en dos previas y un examen final escritos; complementadas con informes, trabajos, programas para computador y exposición de normas técnicas. Parcial I Parcial II Tareas y trabajos Parcial Final

6 BIBLIOGRAFIA

1. Bean, R.L.; Chackan, N.; Moore, H. y Wentz, E.: Transformadores para la industria eléctrica. 2. Ras, Enrique: Transformadores. 3. Corrales N., Juan: Teoría, cálculo y construcción de transformadores. 4. E.E. Staff del M.I.T: Circuitos Magnéticos y Transformadores. 5. Gingrich, Harold W. Máquinas eléctricas, transformadores y controles. 6. Gourishankar, Vembu: Conversión de energía electromagnética. 7. Giraldo M., Orlando. Conferencias varias transformadores. 8. IEEE: Artículos Varios.

Bibliografía complementaria

Martin J. Heathcote. J & P Transformer Book. Newnes, 2007. James H. Harlow (editor). Electric power transformer engineering, USA: CRC Press, 2004. Stephen J. Chapman. Electric Machinery, 4th ed. New York: Mc. Graw-Hill, 2005. A. E. Fitzgerald, Charles Kingsley Jr., Stephen D. Umans. Electric Machinery, 6th ed. New York: Mc-Graw Hill, 2002.