UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS TRABAJO ACADEMICO DE ELECTRIDAD INDUSTRIAL
PALACIOS COLMENARESHUGO JULIO DUED LIMA 2009204831 ING RAUL MATOSACUÑA 25/12/2016
ÍNDICE
Índice…………………………………………………………………………………..1 Introducción………………………………………… ……………………………….2
CAPÍTULO I 1.- Leyes y principio que rigen en el funcionamiento de un transformador…….3 1.1.- Ley de Faraday…………………………………………………..……..3 1.2.- Ley de Lenz……………………………………………………..………4
CAPITULO II 2.- Objetivo a alcanzar ……………………………………………………………….6 3.- Características y/o funcionamiento de un transformador .……………………6 4.- Importancia de las pruebas de Vacío Vacío y Corto circuito circuito en un transformador ……………………………………………………………………………..…………...7 ……………………………………………………………………………..…………... 7 4.1.- Ensayo de vacío………………………………………………………...8 4.2.- Ensayo de corto circuito………………………………………………..16 5.- Especificaciones técnicas para la selección de transformadores en baja y media tensión………………………………………………………………………… t ensión…………………………………………………………………………20 20 6.- Especificaciones técnicas para la selección de transformadores en baja y media tensión………………………………………………………………………… t ensión…………………………………………………………………………22 22
CAPITULO III 7.- Aplicaciones 7.- Aplicaciones prácticas prácticas en la industria……..…………………………………..24 industria……..…………………………………..24 8.- Conclusiones………………………………….………………… Conclusiones………………………………….………………….. ..…………….. ……………..24 24 9.- Anexos……………….………………………………………………………… 9.- Anexos……………….…………………………………………………………...25 ...25 10.- Bibliografía virtual y física…………………………..……………………… fís ica…………………………..………………………...33 ...33
ÍNDICE
Índice…………………………………………………………………………………..1 Introducción………………………………………… ……………………………….2
CAPÍTULO I 1.- Leyes y principio que rigen en el funcionamiento de un transformador…….3 1.1.- Ley de Faraday…………………………………………………..……..3 1.2.- Ley de Lenz……………………………………………………..………4
CAPITULO II 2.- Objetivo a alcanzar ……………………………………………………………….6 3.- Características y/o funcionamiento de un transformador .……………………6 4.- Importancia de las pruebas de Vacío Vacío y Corto circuito circuito en un transformador ……………………………………………………………………………..…………...7 ……………………………………………………………………………..…………... 7 4.1.- Ensayo de vacío………………………………………………………...8 4.2.- Ensayo de corto circuito………………………………………………..16 5.- Especificaciones técnicas para la selección de transformadores en baja y media tensión………………………………………………………………………… t ensión…………………………………………………………………………20 20 6.- Especificaciones técnicas para la selección de transformadores en baja y media tensión………………………………………………………………………… t ensión…………………………………………………………………………22 22
CAPITULO III 7.- Aplicaciones 7.- Aplicaciones prácticas prácticas en la industria……..…………………………………..24 industria……..…………………………………..24 8.- Conclusiones………………………………….………………… Conclusiones………………………………….………………….. ..…………….. ……………..24 24 9.- Anexos……………….………………………………………………………… 9.- Anexos……………….…………………………………………………………...25 ...25 10.- Bibliografía virtual y física…………………………..……………………… fís ica…………………………..………………………...33 ...33
INTRODUCCION
Un transformador es una maquina estática de bajas perdidas y tiene un uso muy extendido en los sistemas eléctricos de transmisión y distribución de energía eléctrica. Los transformadores eléctricos han sido uno de los inventos más relevantes de la tecnología eléctrica. Sin la existencia de los transformadores, sería imposible la distribución de la energía eléctrica tal y como la conocemos hoy en día. La explicación es muy simple, por una cuestión de seguridad no se puede suministrar a nuestros hogares la cantidad de Kw que salen de una central eléctrica, es imprescindible el uso de unos transformadores para realizar el suministro doméstico. El transformador es un dispositivo que permite modificar potencia eléctrica de corriente alterna con un determinado valor de tensión y corriente en otra potencia de casi el mismo valor pero, generalmente con distintos valores de tensión y corrientes. Cuando se requiere transportar energía eléctrica, desde los centros de generación (Centrales eléctricas) a los centros de consumo, se eleva la tensión (desde unos 15 kV hasta 132, 220 o 500 kV) y se efectúa la transmisión mediante líneas aéreas o subterráneas con menor corriente, ya que la potencia en ambos lados del trasformador es prácticamente igual, lo cual reduce las pérdidas de transmisión (R*I2). En la etapa de distribución se reduce la tensión a los valores normales (380-440/220 V), mediante los l os transformadores adecuados.
CAPITULO I Revisión preliminar (leyes, principios, teorías básicas del tema a tratar) 1. LA LEY DE FARADAY La ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente ley de Faraday) establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:
Donde es el campo eléctrico, es el elemento infinitesimal del contorno C, es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de están dadas por la regla de la mano derecha. Esta ley fue formulada a partir de los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831. Esta ley tiene importantes aplicaciones en la generación de electricidad. El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron sentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell. La formulación consiste en cuatro ecuaciones diferenciales vectoriales que relacionan el campo eléctrico, el campo magnético y sus respectivas fuentes materiales (corriente eléctrica, polarización eléctrica y polarización magnética), conocidas como ecuaciones de Maxwell.
1.1.
LA LEY DE FARADAY DE LA ELECTROLISIS Primera ley de faraday de la electrolisis La masa de una sustancia depositada en un electrodo durante la electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad transferida a este electrodo. La cantidad de electricidad se refiere a la cantidad de carga eléctrica, que en general se mide en coulombs.
Segunda ley de faraday de la electrolisis Para una determinada cantidad de electricidad (carga eléctrica), la masa depositada de una especie química en un electrodo , es directamente proporcional al peso equivalente del elemento. El peso equivalente de una sustancia es su masa molar dividido por un entero que depende de la reacción que tiene lugar en el material. La ley de Faraday en la forma moderna:
donde: m es la masa de la sustancia producida en el electrodo (en gramos), Q es la carga eléctrica total que pasó por la solución (en coulombs), q es la carga del electrón = 1.602 x 10-19 culombios por electrón, n es el número de valencia de la sustancia como ion en la solución (electrones por mol), F = qNA = 96500 C•mol-1 es la Constante de Faraday, M es la masa molar de la sustancia (en gramos por mol), y NA es el Número de Avogadro = 6.022 x 1023 iones por mol. I es la corriente eléctrica (en amperios) t es el tiempo transcurrido (en segundos)
1.2.
LINEAS DE CAMPO En física, las líneas de campo son una ayuda para visualizar un campo electrostático, magnético o cualquier otro campo vectorial estático. Esencialmente forman un mapa del campo. Cada línea está dibujada de forma que el campo es tangente a la misma en cada punto de ésta y las puntas de las flechas indican la dirección del campo (Suponiendo una carga positiva). El espacio entre ellas indica el valor del campo. En las regiones en donde las líneas están muy juntas este es muy grande, mientras que donde están muy separadas es muy pequeño.
De aquí se deduce que la densidad de líneas es proporcional al campo. Así, un campo uniforme estará representado por líneas de campo igualmente espaciadas, rectas y paralelas.
1.3.
INDUCCION ESTATICA El movimiento relativo de imanes y conductores, induce en éstos fuerzas electromotrices. Si están quietos no hay inducción eléctrica, porque para ello hace falta que el campo magnético varíe o que el conductor corte líneas de campo. Pero, esa necesaria variación del campo magnético se puede conseguir por medios estáticos, sin movimiento alguno. Alcanza con que la corriente de un conductor varíe en el tiempo, para que el campo magnético que genera sea también variable y entonces, pueda inducir una fuerza electromotriz en otro conductor cercano.
1.4.
INDUCCION CONITNUA La corriente variable que circula por un conductor induce una fuerza electromotriz en los conductores vecinos. La magnitud de ese efecto depende de cuánto varíe esa corriente y con qué velocidad lo haga, pero también depende de la forma, el tamaño y la posición de los conductores. Si son cortos y están alejados, la fuerza electromotriz inducida es menor que cuando los conductores son grandes y están cercanos uno del otro.
Ese hecho se expresa así matemáticamente: 2 =
∆ ∆
ΔI1 es la variación corriente en ampere del primer conductor, Δt es el tiempo en segundos en el que ocurre esa variación, E2 es la fuerza electromotriz en volt que induce el primer conductor en el segundo y M se llama coeficiente de inductancia mutua. Sus unidades son volt segundo sobre ampere, combinación llamada henry, y que se simboliza con la letra H.
1.5.
AUTOINDUCCION Un conductor no sólo induce fuerzas electromotrices en conductores vecinos, también lo hace sobre sí mismo y resulta así, a la vez inductor e inducido. Matemáticamente, eso se expresa de modo similar al anterior, pero ahora el factor se llama coeficiente de autoind ucción, autoinductancia, o inductancia a secas. Se designa con la letra L, y se expresa en henry.
=
∆ ∆
E es la fuerza electromotriz en volt que induce el conductor sobre sí mismo, ΔI es la variación de la corriente en el conductor en ampere, Δt es el tiempo en segundos en el que ocurre esa variación y L es el coeficiente de autoinducción, en henry. El signo negativo indica que se trata de una fuerza contraelectromotriz.
1.6.
FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ Si dejamos que la barra de la figura se deslice libremente, impulsada por la fuerza que resulta del efecto motor, a medida que vaya cobrando velocidad y por el principio generador, se inducirá en ella una fuerza electromotriz, que será de polaridad opuesta a la de la batería. Cuando las dos tensiones se igualen, la corriente cesará y la barra correrá, idealmente, a velocidad constante. Esa tensión inducida, por ser de polaridad opuesta a la de la alimentación, se llama fuerza contraelectromotriz, y aparece en todos los motores cuando ya adquirieron velocidad.
En cambio, en el arranque es nula, por eso los motores hacen circular por la red una corriente elevada cuando arrancan, como lo notamos en el descenso de la tensión en una casa, cada vez que se pone en marcha una heladera, o el ascensor del edificio.
1.7.
LA JAULA DE FARADAY Se conoce como jaula de Faraday el efecto por el cual el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio es nulo, anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor está sujeto a un campo electromagnético externo, se polariza, de manera que queda cargado positivamente en la dirección en que va el campo electromagnético, y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0.
Se usan en interior de ascensores o edificios con estructura de rejilla de acero. Una manera de comprobarlo es con una radio sintonizada en una emisora de Onda Media. Al rodearla con un periódico, el sonido se escucha correctamente. Sin embargo, si se sustituye el periódico con un papel de aluminio la radio deja de emitir sonidos: el aluminio es un conductor eléctrico y provoca el efecto jaula de Faraday. Este fenómeno, descubierto por Michael Faraday, tiene una aplicación importante en aviones o en la protección de equipos electrónicos delicados, tales como discos duros o repetidores de radio y televisión situados en cumbres de montañas y expuestos a las perturbaciones electromagnéticas causadas por las tormentas.
2. Ley de Heinrich Lenz Explica que siempre que se induce una corriente, su campo magnético se opone al cambio de flujo. Esto se ve claramente en el momento de realizar la experiencia. Esta ley podría haberse predicho a partir de principio de la conservación de la energía. Cuando se mueve un imán hacia una bobina, induciéndose así una corriente en el enrollamiento, la corriente inducida calienta el alambre. Para proporcionar la energía necesaria para ello, se tiene que hacer trabajo venciendo una fuerza que se opone. Si la fuerza no se opusiera al movimiento, se estaría creando energía; por lo tanto, el campo magnético de la corriente inducida tiene que oponerse al cambio. El transformador es un elemento que transfiere energía de un circuito a otro, es decir transporta un voltaje o corriente variable utilizando el principio de inductancia magnética
La función del transformador es cambiar el voltaje o corriente en un sistema eléctrico, es decir puede aumentar (transformador elevador) o disminuir (transformador reductor) el voltaje o la corriente
La polaridad de una tensión inducida es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por la corriente original. El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito plano viene dado por donde: = Flujo magnético. La unidad en el SI es el weber (Wb) B= Inducción magnética. La unidad en el SI es el tesla (T). S = Superficie definida por el conductor α= Ángulo que forman el vector S
perpendicular a la superficie definida por el conductor y la dirección
del ca Si
el conductor está en movimiento el valor del flujo será:
A su vez, el valor del flujo puede variar debido a un cambio en el valor del campo magnético:
En este caso la Ley de Faraday afirma que la tensión inducida ℰ en cada instante tiene por valor =
Donde ℰ es el voltaje inducido, dΦ/dt es la tasa de variación temporal del flujo magnético Φ y N el número de espiras del conductor. La dirección del voltaje inducido (el signo negativo en la fórmula) se debe a la oposición al cambio de flujo magnético.
CAPITULO II Desarrollo de los contenidos Diseño de las características y/o funcionamiento de un transformador. (Considerar módulos, maquetas u otros) 1. TRANSFORMADORES ELECTRICOS 1.1.
CONCEPTO
Trasformador es un dispositivo eléctrico estático, que trasfiere energía eléctrica de un circuito a otro, mediante el principio de inducción electromagnética, sin cambio de frecuencia, además está compuesto por circuitos eléctricos aislados entre sí que son eslabonados por un circuito magnético. No se la considera como una maquina eléctrica por que no tiene partes en movimiento sin embargo dada su importancia se la estudia como tal. Por definición una maquina recibe un tipo de energía para transformarla de forma apropiada, ejemplo recibe energía eléctrica y la
transforma en energía mecánica o viceversa, como el transformador cambia las características de la energía también se le denomina máquina, el trasformador por ser una maquina estática tiene ventajas sobre las maquinas rotativas debido a que no tiene perdidas mecánicas, las únicas perdidas del trasformador son eléctricas y del hierro, por la razón su rendimiento es alto En la figura se puede apreciar un trasformador sencillo, en el cual están las bobinas eslabonadas por un núcleo magnético común el bobinado que se induce el voltaje y además alimenta la carga se denomina secundario.
1.2.
EL NUCLEO
El núcleo está formado por varias chapas u hojas de metal (generalmente material ferromagnético) que están apiladas una junto a la otra, sin soldar, similar a las hojas de un libro. La función del núcleo es mantener el flujo magnético confinado dentro de él y evitar que este fluya por el aire favoreciendo las perdidas en el núcleo y reduciendo la eficiencia. La configuración por láminas del núcleo laminado se realiza para evitar las corrientes de Foucault, que son corrientes que circulan entre láminas, indeseadas pues favorecen las perdidas.
En la construcción del núcleo se utilizan chapas de acero aleadas con silicio de muy bajo espesor de 0.3 mm aproximadamente El si incrementa la resistividad del material y reduce las corrientes parasitas
La chapa se aísla mediante un tratamiento químico carlite y se obtiene por laminación en frio. Aumenta la permeabilidad mediante este procedimiento se obtiene factores de relleno de 95-98%
1.3.
FABRICACION DEL NUCLEO
CORTE DE NUCLIO ARROLLADO Tipo de overlap Joint Soldadura Tig en la última vuelta del núcleo garantiza el cierre de los Gaps durante el transporte y vida útil del transformador
1.4.
BOBINADO PRIMARIO Los bobinados o devanados constituyen los circuitos de alimentación y carga. La función principal del devanado primario es crear un campo magnético con una pérdida de energía muy pequeña.
1.5.
BOBINADO SECUNDARIO El devanado secundario debe aprovechar el flujo magnético para producir una fuerza electromotriz. Dependiendo de la corriente pueden ser desde alambre delgado, grueso o barra. Los materiales comúnmente utilizados son cobre y aluminio
1.6.
BOBINAS DEVANADOS Y AISLAMIENTO Las bobinas son simplemente alambres generalmente de cobre enrollado en las piernas del núcleo. Según el número de espiras (vueltas) alrededor de una pierna inducirá un voltaje mayor. Se juega entonces con el número de vueltas en el primario versus las del secundario. En un transformador trifásico el número de vueltas del primario y secundario debería ser igual para todas las fases.
1.7.
FABRICACION DE BOBINAS
TIPOS CONSTRUCTIVOS UTILIZADOS EN TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCION
R CTANGULAR LHL LOW HIGH LOW
RECTANGULAR LH LOW HIGH
OVAL LH LOW HIGH
ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DEVANADOS Y AISLAMIENTOS
DIFERENTES FORMAS CONSTRUCTIVAS DE DEVANADOS SEGÚN TENSION Y POTENCIA LOS CONDUCTORES DE LOS DEVANADOS ESTAN AISLADOS ENTRE SI. EN TRANSFORMADORES DE BAJA POTENCIA Y TENSION SE UTILISAN HILOS ESMALTADOS. MAQUINAS GRANDES SE EMPLEAN PLETINAS RECTANGULARES ENCINTADAS CON PAPEL IMPREGNADO EN ACEITE EL AISLAMIENTO ETRE DEVANADOS SE REALIZA DEJANDO ESPACIOS DE AIRE O DE ACEITE ENTRE ELLOS LA FORMA DE LOS DEVANADOS ES NORMALMENTE CIRCULAR EL NUCLEO ESTA SIEMPRE CONECTADO A TIERRA. PARA EVITAR ELEVADOS GRADIENTES DE POTENCIAL, EL DEVANADO DE BAJA TENSION SE DISPONE EL MAS CERNANO DEL NUCLEO
1.8.
TECNOLOGIA DE FABRICACION DE BOBINAS
TIPOS DE MATERIALES CONDUCTORES UTILIZADOS COBRE ALUMINIO TIPOS DE CONDUCTORES UTILIZADOS Hilo circular de cobre o aluminio generalmente AT Hilo rectangular de cobre o aluminio generalmente BT Chapa de cobre o aluminio generalmente BT arriba de COMPARACION ENTRE COBRE Y ALUMINIO 75 KVA TIPOS DE MATERIALES AISLANTES UTILIZADOS Papel diamantado termoestavilizado Cartón Presspan Maderas especiales
COEFICIENTE DE EXPANSIÓN
1.9.
ALUMINO: 23X10-6 CM/°C COBRE: 16.6X10-6 CM/°C El aluminio se expande 30% más que el cobre Podría crear problemas de conexión utilizando tornillos Utilizando arandelas de3 conexión apropiadas cóncavas las conexiones proporcionan la elasticidad necesaria en el empalme sin la comprensión del aluminio, con la misma eficiencia que los terminales de cobre
COMPARACION ENTRE COBRE Y ALUMINO
CONDUCTIVIDAD ELECTRICA
Aluminio: 36.6 106 Ω− − Cobre: 59.6 106 Ω− − Para dos trasformadores iguales misma resistencia arrollamiento de para un mismo cumplimiento, la sección del arrollamiento de aluminio deberá ser 1.63 veces más grande que la del arrollamiento de cobre: Rcu = Lcu/Scu x R AI = L AI/S AI x
S AL/SCU = = 59.6/36.6 = 1,63
S AL = 1,63 SCU
Con un incremento de la sección transversal del aluminio, las perdidas resistivas serán las mismas en los dos arrollamientos Comparándose los dos materiales, perdidas más bajas serán logradas en aluminio con un proyecto mejor optimizado
1.10. COMPARACION ENTRE COBRE Y ALUMINIO CAPACIDAD CALORIFICA.
Aluminio. 0.220 Cal/g°C Cobre. 0.092 Cal/g°C Como el peso del aluminio es 0.488 el peso del cobre, tenemos
Capacidad calorífica del AI = x Capacidad Calorífica del Cu = x = ( / ) x ( / ) = 0.488 x (0.220/0.092) = 1.162 O sea, el arrollamiento de aluminio posee una mejor so portabilidad a las Corrientes de corto-circuito y sobrecarga, en comparación con los Arrollamientos de cobre.
1.11. COMPARACION ENTRE COBRE Y ALUMINIO Las reservas naturales de aluminio son más grandes que las reservas de cobre. Los transformadores fabricados con arrollamientos de aluminio son más ligeros que los transformadores fabricados con arrollamientos de cobre. En resumen, es mucho más ventajoso para el cliente dejar libre la elección del material del bobinado al fabricante, que intentará siempre optimizar los proyectos de acuerdo a las características de los clientes, pero considerando también los materiales disponibles en el mercado. Eso garantizará que el cliente tendrá disponibles en sus manos transformadores diseñados y fabricados con lo mejor que hay en el Mercado, considerando tecnologías de proyecto, fabricación, y materiales
1.12. MATERIAL AISLADOR
Todo transformador eléctrico, sea reductor o elevador de voltaje, tiene la particularidad de transferir energía entre sus bobinados, por inducción electromagnética y sin que exista entre ellos, conexión eléctrica alguna excepto los auto transformadores. Por tanto, un transformador ofrece una aislación entre los circuitos conectados en el bobinado primario y los conectados al secundario Sin embargo, el término Transformador aislador o Transformador de aislamiento, se utiliza solamente para referirse a los transformadores con relación entre sus devanados primario y secundario.
1.13. TECNOLOGIA DE ENSAMBLAJE DE LA PARTE ACTIVA
Núcleo Arrollado Core Form Núcleo Arrollado Shell Form Núcleo Apilado Soldadura y Conexión en Cobre y Aluminio
1.14. CONEXIONES TRIFASICOS
TIPICAS
DE
LOS
TRANSFORMADORES
La conexión Y y plantea problemas debidos a la circulación de corrientes homopolares (causadas por los armónicos de la corriente de vacío) por el neutro. En condiciones de carga desequilibrada entre fase y neutro aparecen sobretensiones Cuando uno de los devanados está conectado en triángulo los flujos homopolares se anulan y los inconvenientes anteriores desaparecen. El único problema es la no disponibilidad del neutro en uno de los devanados
1.15. FLUIDO DIELECTRICOS
1.16. VENTAJAS DEL BIOTEMP BIODEGRADABLE Mejora de las propiedades de transferencia térmica Mejora de la Eficiencia operativa Mejora de la seguridad operativa Reducción de la contaminación de las aguas subterráneas
1.17. HGFHDJ 1.18. GHJDGJ 1.19. DJGFJF} 1.20. HFHHDHFHHFH 1.21. HKGHKGHKGH 1.22. KKGHKGHKK 1.23. JGFJGFJFJ} 1.24. GJJJFGJ 1.25. JGJGJGFJ 1.26. JGJFJG 1.27. GFFJGFJGFJF 1.28. DFJDFJJ 1.29.
1.30. FABRICACION DE BOCINAS
TIPOS CONSTRUCTIVOS UTILIZADOS EN TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCION
R CTANGULAR LHL LOW HIGH LOW
RECTANGULAR LH LOW HIGH
OVAL LH LOW HIGH
ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DEVANADOS Y AISLAMIENTOS
DIFERENTES FORMAS CONSTRUCTIVAS DE DEVANADOS SEGÚN TENSION Y POTENCIA LOS CONDUCTORES DE LOS DEVANADOS ESTAN AISLADOS ENTRE SI. EN TRANSFORMADORES DE BAJA POTENCIA Y TENSION SE UTILISAN HILOS ESMALTADOS. MAQUINAS GRANDES SE EMPLEAN PLETINAS RECTANGULARES ENCINTADAS CON PAPEL IMPREGNADO EN ACEITE EL AISLAMIENTO ETRE DEVANADOS SE REALIZA DEJANDO ESPACIOS DE AIRE O DE ACEITE ENTRE ELLOS LA FORMA DE LOS DEVANADOS ES NORMALMENTE CIRCULAR EL NUCLEO ESTA SIEMPRE CONECTADO A TIERRA. PARA EVITAR ELEVADOS GRADIENTES DE POTENCIAL, EL DEVANADO DE BAJA TENSION SE DISPONE EL MAS CERNANO DEL NUCLEO
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO 2. EL TRANSFORMADOR REAL: FUINCIONAMIENTO EN VACIO 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
IDEAL: Los arrollamientos no tienen resistencia y no hay flujo de dispersión. EN VACÍO: El circuito del secundario está abierto, es decir, sin carga. Puesto que el mismo flujo atraviesa el primario y el secundario, la fuerza electromotriz inducida por espira es la misma en ambos:
1.1.
RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN
Eligiendo adecuadamente la relación entre el número de espiras del primario y del secundario, puede obtenerse en el secundario cualquier tensión que se desee, partiendo de una tensión dada en el primario. El arrollamiento primario se comportará como una autoinducción. La corriente en el primario que es pequeña, está retrasada 90º respecto a la tensión del primario. Se denomina corriente de vacío y crea el flujo en el núcleo por lo que también se denomina magnetizaste. El flujo del núcleo está en fase con la corriente del primario.
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 Io: Intensidad de vacío Ife: Componente de pérdidas en el hierro Im: Componente de magnetización Modificación del circuito equivalente del transformador para tener en cuenta: Permeabilidad finita del material: Im retrasa a la tensión reactancia Xm Pérdidas en el hierro: Ife en fase con la tensión èresistencia Rfe
EL TRANSFORMADOR REAL: FUNCIONAMIENTO EN EN CORTOCIRCUITO IDEAL: Los arrollamientos no tienen resistencia y no hay flujo de dispersión.
EN CARGA: El circuito del secundario tiene conectada una impedancia .
Se realiza haciendo circular la intensidad nominal por el primario con el secundario cortocircuitado para ello basta aplicar una tensión reducida mucho menor que la nominal.
Cuando el circuito secundario está abierto, el flujo del núcleo sólo es producido por la corriente del primario, pero cuando se cierra el secundario, tanto la corriente de primario como la de secundario crean flujo en el núcleo. Según la ley de Lenz, la corriente del secundario, oponiéndose a la causa que la produce, tiende a debilitar el flujo del núcleo y, por consiguiente, a disminuir la fuerza contraelectromotriz en el primario. Como en ausencia de pérdidas, la f.c.e.m. en el primario ha de ser igual a la tensión en bornes del primario, que suponemos constante, la corriente en el primario aumenta, por tanto, hasta que el flujo del núcleo se restablece en su valor inicial(sin carga).
Es muy probable que durante su vida útil un transformador, particularmente los empleados en las redes de distribución de energía, deba soportar cortocircuitos, cuando están operando a tensión nominal. Esto da lugar a grandes corrientes, grandes esfuerzos electrodinámicos y calentamientos m u y r á p i d os, por esos motivos esas corrientes deben ser interrumpidas rápidamente por los elementos de protección a fin de evitar accidentes.
1.2.
¿CUÁL ES LA IMPORTANCIA DE APLICAR ÉSTAS PRUEBAS?
La verificación del correcto funcionamiento de cualquier equipo es de suma importancia, en particular cuando se trata de unidades grandes y de mucho costo, y éste es el caso de transformadores. La experiencia de muchos años ha permitido conocer las cosas más importantes que se deben verificar para garantizar el correcto funcionamiento de los transformadores durante una larga vida útil. Por otro lado es necesario verificar que el transformador cumple con las características solicitadas. Para hacer las respectivas verificaciones y evitar diversidad de opiniones, las partes se deben ajustar a Normas, generalmente establecidas de antemano por el comprador u organismos especializados. Las Normas son documentos que establecen, por consenso y aprobados por un organismo reconocido, reglas y criterios para usos comunes y repetidos. Es decir, establece las condiciones mínimas que deben reunir un producto o servicio para que sirva al uso al que está destinado. Las Normas son el producto de la experiencia de los fabricantes, usuarios, investigadores y otras partes interesadas que permiten garantizar la calidad de un producto al menor costo.
Con el ensayo de las máquinas se tiende a evitar en lo posible las pruebas directas con carga efectiva, por la dificultad que presenta el disponer de elementos capaces la absorber la potencia normal de la máquina. Las características en carga se deducen de los ensayos en vacío y en cortocircuito, mediante la aplicación posterior de las teorías que relacionan estos valores con los de servicio normal. Los ensayos no requieren más potencia que la de pérdidas consiguientes. Los ensayos de vacío y cortocircuito de un transformador permiten determinar varios de los parámetros más importantes que definen su comportamiento. Atreves de las mediciones efectuados en los mencionados ensayos y mediante el cálculo conveniente, se puede determinar los parámetros del circuito equivalente simplificado del transformador, dicho circuito resulta útil en el cálculo de las complejas redes de trasporte y distribución, con varios escalones de tensión, previa reducción a una tensión base De otro lado del ensayo de vacío se obtiene, además de la corriente de vacío la relación de transformación y las perdidas en el hierro del transformador, como se sabe dicha pérdidas son independiente del índice de la carga del transformador Del ensayo del cortocircuito se deduce el importante parámetro de la tensión de corto circuito, este parámetro interviene, directamente, en el corriente de cortocircuito permanente, en las expresiones de caída de tención y en la asociación en paralelo de transformadores. Otro parámetro, de no menor importancia, es la potencia de perdidas nominales de los devanados primario y secundario, de ambos tipos de perdida, en el hierro y en el cobre se deduce el índice de carga optimo del transformador, es decir
la carga definida como porcentaje sobre la potencia nominal del transformador, en la que ste trabaja con rendimiento máximo c. SEÑALE Y EXPLIQUE LAS ESPECIFICACIONES TÉCNICAS PARA LA SELECCIÓN DE TRANSFORMADORES EN BAJA Y MEDIA TENSIÓN.
1.1. ASPECTOS GENERALES
El cálculo o diseño de transformadores se puede decir que es un aspecto suficientemente tratado, en el que intervienen algunas variantes dependiendo del tipo de transformador y de los materiales empleados. En la actualidad los fabricantes de transformadores a gran escala, disponen por lo general de programas por computadora para diseño y de laboratorio apropiados para prueba. No obstante, los conceptos básicos del cálculo de transformadores se deb conocer por las personas relacionadas con las máquinas eléctricas, ya que esto no solo permite una mejor comprensión de su funcionamiento, sino también se está en posibilidad de entender mejor las posibles fallas que tienen y su reparación. Las normas para transformadores cuando hablan de potencia nominal, se refieren a una potencia que es el producto de la corriente por el voltaje en vacío. La potencia nominal es por lo tanto una “potencia aparente” que es la misma, ya sea que se considere el devanado primario o el devanado secundario. La razón de esta definición que es sólo convencional, se debe al hecho de que se caracteriza a la máquina desde el punto de vista del dimensionamiento. Las prestaciones de una máquina eléctrica están limitadas por el calentamiento de sus componentes, las cuales están causadas por las pérdidas que tiene. En particular, en un transformador se tienen las pérdidas en el núcleo y las pérdidas en los devanados. La potencia aparente que puede soportar el transformador en funcionamiento continuo sin sobrepasar los límites de calentamiento es: Como el transformador no siempre funciona bajo condiciones nominales, entonces se debe establecer el índice de carga C:
SELECCIÓN BÁSICA DEL TIPO DE TRANSFORMADOR TIPOS DE TRANSFORMADO VARIANTES CARACTERÍSTICAS EN ACEITE SECO
Capacidad de Carga Carga en Proyección Sobre carga Cálculos de Pérdidas Ubicación Temperatura Ambiente
Soportar la carga Instalada Soportar la Carga proyectada Sobrecarga de 30% (de acuerdo a Norma) Por X = Tiempo Perdidas de Vacio y Corto Circuito Adecuación de sitio para instalarlo
APLICA
APLICA
APLICA
APLICA
Pierde Vida Útil
Se deteriora mas rápido
Mas Perdidas
Menos Perdidas
Adecuar el sitio
De fácil Ubicación
Efecto de la Temperatura al Aislante
Reacción a la Temperatura, mas lenta
Vida Útil
> a 20 Años
Menos vida útil por su refrigerante.
Personal Especializado
Operación de Mantenimiento
Requiere mas Mantenimiento
Evaluación Económica Normas
De acuerdo al Cálculo de Perdidas y Carga Normas a Cumplir o (de acuerdo al operador de Energía del sector)
Reacción a la Temperatura, Mas rápida Más vida útil por su bajo envejecimiento térmico. Requiere menos Mantenimiento
Menos Costoso
Más Costoso
Más exigente
Menos Exigente
CAPITULO III 3. Aplicaciones prácticas en la industria Un caso significativo es el de los sistemas de potencia, en los que hace posible que la generación, transporte y consumo de energía eléctrica se realicen a tenciones más rentables en cada caso, el transporte resulta más económico cuando más alta sea la tención ya que la corriente y la sección de los conductores son menores Tanto en materia de electricidad industrial y comercial como en radiotelefonía, telefonía, televisión y electrónica en general encuentra el transformador un campo de utilización. Puede decirse que es el elemento indispensable en todo lo referente a corrientes alternas. Existen dos aplicaciones básicas para la utilización de los transformadores de distribución de energía eléctrica:
Transporte de energía eléctrica: gracias a su capacidad de transformar los parámetros de tensión e intensidad, con la consiguiente reducción de las pérdidas de Joule. Existirán dos transformadores, uno al principio de la línea para la elevación del potencial (Transformador Elevador) y uno de al final de la línea para la reducción del mismo (Transformador Reductor).
Interconexión de líneas eléctricas a diferentes niveles de tensión: por su capacidad de transformar los niveles de tensión, los transformadores son ideales para interconectar líneas a diferente nivel de tensión dando para todas ellas una salida común.
Los transformadores también son usados por la mayoría de electrodomésticos y aparatos electrónicos, ya que estos trabajan, normalmente, a tensiones de un valor inferior al suministrado por la red.
Por último hacer mención a que uno de los elementos de seguridad eléctrica de gran aplicación utiliza transformadores. Se trata del diferencial . Este dispositivo utiliza transformadores para comparar la intensidad que entra con la que sale del hogar. Si la diferencia entre estos es mayor a 10 l circuito evitando que podamos sufrir lesiones.
TRANSFORMADOR DE POTENCIA
Descripción: Se utilizan para sub transmisión y transmisión de energía eléctrica en alta y media tensión. Son de aplicación en subestaciones transformadoras, centrales de generación y en grandes usuarios.
Características Generales: Se construyen en potencias normalizadas desde 1.25 hasta 20 MVA, en tensiones de 13.2, 33, 66 y 132 kV. y frecuencias de 50 y 60 Hz.
TRANSFOPRMADOR DE DISTRIBUCION Se denomina transformadores de distribución, generalmente los transformadores de potencias iguales o inferiores a 500 kVA y de t ensiones iguales o inferiores a 67 000 V, tanto monofásicos como trifásicos. Aunque la mayoría de tales unidades están proyectadas para montaje sobre postes, algunos de los tamaños de potencia superiores, por encima de las clases de 18 kV, se construyen para montaje en estaciones o en plataformas. Las aplicaciones típicas son para alimentar a granjas, residencias, edificios o almacenes públicos, talleres y centros comerciales.
A continuación se detallan algunos tipos de transformadores de distribución.
Descripción: Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica.
Características Generales:
Se fabrican en potencias normalizadas desde 25 hasta 1000 kVA y tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV. Se construyen en otras tensiones primarias según especificaciones particulares del cliente. Se proveen en frecuencias de 50-60 Hz. La variación de tensión, se realiza mediante un conmutador exterior de accionamiento sin carga.
Transformadores Secos Encapsulados en Resina Epoxi
Descripción: Se utilizan en interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, en lugares donde los espacios reducidos y los requerimientos de seguridad en caso de incendio imposibilitan la utilización de transformadores refrigerados en aceite. Son de aplicación en grandes edificios, hospitales, industrias, minería, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica Características Generales: Su principal característica es que son refrigerados en aire con aislación clase F, utilizándose resina epoxi como medio de protección de los arrollamientos, siendo innecesario cualquier mantenimiento posterior a la instalación. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 2500 kVA, tensiones primarias de
13.2,
15,
25,
33
y
35
kV
y
frecuencias
de
5
Transformadores Herméticos de Llenado Integral Descripción: Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, siendo muy útiles en lugares donde los espacios son reducidos. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica.
Características Generales: Su principal característica es que al no llevar tanque de expansión de aceite no necesita mantenimiento, siendo esta construcción más compacta que la tradicional. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 1000 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.
Transformadores Rurales
Descripción: Están diseñados para instalación monoposte en redes de electrificación suburbanas monofilares, bifilares y trifilares, de 7.6, 13.2 y 15 kV. En redes trifilares se pueden utilizar transformadores trifásicos o como alternativa 3 monofásicos.
Transformadores Subterráneos Aplicaciones Transformador de construcción adecuada para ser instalado en cámaras, en cualquier nivel, pudiendo ser utilizado donde haya posibilidad de inmersión de cualquier naturaleza.
Características Potencia: 150 a 2000KVA Alta Tensión: 15 o 24,2KV Baja Tensión: 216,5/125;220/127;380/220;400/231V
Transformadores Auto Protegidos Aplicaciones El transformador incorpora componentes para protección del sistema de distribución contra sobrecargas, corto-circuitos en la red secundaria y fallas internas en el transformador, para esto poseee fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión, montados internamente en el tanque, fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión. Para protección contra sobretensiones el transformador está provisto de dispositivo para fijación de pararrayos externos en el tanque. Características Potencia: 45 a 150KVA Alta Tensión: 15 o 24,2KV Baja Tensión: 380/220 o 220/127V
CONCLUSIONES La fuerza contraelectromotriz se puede experimentar sencillamente con elementos como una batería, un foquito de linterna y un motor eléctrico de juguete, hacemos una conexión en serie. Cuando frenamos el eje del motor con los dedos, le impedimos alcanzar mayor velocidad, genera más fuerza contraelectromotriz, y la lámpara enciende más intensamente, porque circula más corriente.
La inductancia mutua de los conductores largos y próximos puede causar interferencias, especialmente en las de comunicaciones que emplean altas frecuencias.
El uso de transformador es únicamente posible en corriente alterna debido a la naturaleza de su funcionamiento basándose en leyes estudiadas en el capítulo 1. La elevación de la tensión permite reducir las pérdidas por calentamiento en los cables de transporte (en este caso se usa un transformador elevador).
