Máquinas Eléctricas. Tema 3. 1 Tema 3.- Transformadores. 3.1.- Introducción. 3.2.- Principio de...
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Máquinas Eléctricas. Tema 3.
1
Tema 3.- Transformadores.
3.1.- Introducción.3.2.- Principio de funcionamiento.3.3.- Ensayos de los transformadores.
Basado en apuntes del Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica deComputadores y Sistemas de la Universidad de Oviedo
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
2
Transformador elementalTransformador elementalTransformador elementalTransformador elemental Se utilizan en redes eléctricas para convertir un sistema de
tensiones (mono - trifásico) en
otro de igual frecuencia y > o
< tensión
La conversión se realiza práctica-mente sin pérdidas
PotenciaentradaPotenciasalida
Las intensidades son inversamente proporcionales a
las tensiones en cada lado
Transformador elevador: V2>V1, I2<I1 Transformador reductor: V2<V1, I2>I1
Los valores nominales que definen a un transformador son: Los valores nominales que definen a un transformador son: Potencia aparente (S), Tensión (U), I (corriente) y frecuencia Potencia aparente (S), Tensión (U), I (corriente) y frecuencia
(f)(f)
SecundarioSecundario
V2
V2
V1
V1
I1I1 I2I2
Núcleo de chapa magnética aisladaNúcleo de chapa
magnética aislada
PrimarioPrimario
Flujo magnéticoFlujo magnético
3.1.- Introducción.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
3
El Si incrementa la resistividad del material y reduce las corrientes
parásitas
En la construcción del núcleo se utilizan chapas de acero aleadas
con Silicio de muy bajo espesor (0,3 mm) aprox.
La chapa se aísla mediante un tratamiento químico (Carlite) y se obtiene por LAMINACIÓN EN FRÍO: aumenta la permeabilidad. Mediante este procedimiento
se obtienen factores de relleno del 95-98%
11
22
3344
55El núcleo puedetener sección cuadrada. Pero es más frecuente aproximarlo a la circular
El núcleo puedetener sección cuadrada. Pero es más frecuente aproximarlo a la circular
Montaje chapas núcleo
Montaje chapas núcleo
Corte a 90ºCorte a 90ºCorte a 90ºCorte a 90º Corte a 45ºCorte a 45ºCorte a 45ºCorte a 45º
V2
V2
V1V1
I1I1 I2I2
3.1.1.- Aspectos constructivos:circuito magnético I.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
4
600-5000 V
4,5 - 60 kV
> 60 kV
Diferentes formas constructivas Diferentes formas constructivas de devanados según tensión y de devanados según tensión y
potenciapotencia
Los conductores de los devanados están aislados entre sí: En transformadores de baja potencia y
tensión se utilizan hilos esmaltados. En máquinas grandes se emplean pletinas rectangulares encintadas con papel impregnado en aceite
El aislamiento entre devanados se realiza dejando espacios de aire o de aceite entre ellos
La forma de los devanados es normalmente circular
3.1.2.- Aspectos constructivos:devanados y aislamientos I.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
5
Estructura Estructura devanados: devanados: trafo trafo monofásicomonofásico
Estructura Estructura devanados: devanados: trafo trafo monofásicomonofásico
Núcleo con 2 Núcleo con 2 columnascolumnasNúcleo con 2 Núcleo con 2 columnascolumnas
Núcleo con 3 Núcleo con 3 columnascolumnas
Núcleo con 3 Núcleo con 3 columnascolumnas
SecundariSecundariooSecundariSecundarioo
PrimarioPrimarioPrimarioPrimario SecundariSecundariooSecundariSecundarioo
PrimarioPrimarioPrimarioPrimario AislanteAislanteAislanteAislante
ConcéntricoConcéntricoConcéntricoConcéntrico
PrimarioPrimarioPrimarioPrimario
AislantAislanteeAislantAislantee
SecundariSecundariooSecundariSecundarioo
PrimariPrimariooPrimariPrimarioo
AislanteAislanteAislanteAislanteAlternadAlternad
ooAlternadAlternad
oo
SecundariSecundariooSecundariSecundarioo
3.1.2.- Aspectos constructivos:devanados y aislamientos II.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
6
Fabricación núcleo: Fabricación núcleo: chapas magnéticaschapas magnéticasFabricación núcleo: Fabricación núcleo: chapas magnéticaschapas magnéticas
Conformado Conformado conductores conductores
devanadosdevanados
Conformado Conformado conductores conductores
devanadosdevanados
Catálogos comercialesCatálogos comerciales
Catálogos comercialesCatálogos comerciales
3.1.2.- Aspectos constructivos:devanados y aislamientos III.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
7
1 1 NúcleoNúcleo
1’1’ Prensaculatas Prensaculatas
22 Devanados Devanados
33 Cuba Cuba
4 4 Aletas refrigeraciónAletas refrigeración
55 Aceite Aceite
66 Depósito expansión Depósito expansión
77 Aisladores (BT y AT) Aisladores (BT y AT)
88 Junta Junta
99 Conexiones Conexiones
1010 Nivel aceite Nivel aceite
1111 - 12- 12 Termómetro Termómetro
13 - 1413 - 14 Grifo de vaciado Grifo de vaciado
1515 Cambio tensión Cambio tensión
1616 Relé Buchholz Relé Buchholz
1717 Cáncamos transporte Cáncamos transporte
1818 Desecador aire Desecador aire
1919 Tapón llenado Tapón llenado
2020 Puesta a tierra Puesta a tierra Transformadores de potencia medida... E. Ras OlivaTransformadores de potencia medida... E. Ras Oliva
3.1.3.- Aspectos constructivos:refrigeración.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
8
Transformadores en baño de aceite
Catálogos comercialesCatálogos comerciales
3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos I.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
9
Transformador seco
OFAF
Catálogos comercialesCatálogos comerciales
3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos II.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
10
5000 kVA5000 kVABaño de Baño de aceiteaceite
5000 kVA5000 kVABaño de Baño de aceiteaceite
2500 kVA2500 kVABaño de aceiteBaño de aceite2500 kVA2500 kVABaño de aceiteBaño de aceite
1250 kVA1250 kVABaño de aceiteBaño de aceite1250 kVA1250 kVABaño de aceiteBaño de aceite
10 MVA10 MVASellado con NSellado con N22
10 MVA10 MVASellado con NSellado con N22
10 MVA10 MVASellado con NSellado con N22
10 MVA10 MVASellado con NSellado con N22
Catálogos comercialesCatálogos comerciales
3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos III.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
11
Secciones de transformadores en aceite y Secciones de transformadores en aceite y secossecos
Seco
En aceite
Catálogos comercialesCatálogos comerciales
Catálogos comercialesCatálogos comerciales
3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos IV.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
12
3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos IV.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
13
3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos IV.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
14
3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos IV.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
15
3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos IV.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
16
3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos IV.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
17
3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos IV.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
18
3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos IV.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
19
3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos IV.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
20
Banco trifásico de tres transformadores monofásicos con uno de reserva.
3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos IV.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
21
011 )t(e)t(U 011 )t(e)t(ULTK primario:LTK primario:
dt)t(d
N)t(e)t(U
111 dt)t(d
N)t(e)t(U
111
Ley de Lenz:Ley de Lenz:
tCosNtCosU)t(U mm 11 tCosNtCosU)t(U mm 11
mmefef Nf,NfEU 1111 44422
1mmefef Nf,NfEU 1111 4442
2
1mm fNU 21 mm fNU 21
TensióTensiónnmáximmáximaa
TensióTensiónn
eficazeficaz
dt)t(d
N)t(e
22 dt)t(d
N)t(e
22FemFemeficazeficaz
Repitiendo el proceso para el secundario
mef BSNf,E 11 444 mef BSNf,E 11 444
)vacío(
ef
ef
eft U
UNN
E
Er
2
1
2
1
2
1 )vacío(
ef
ef
eft U
UNN
E
Er
2
1
2
1
2
1 mef BSNf,E 22 444 mef BSNf,E 22 444La tensión aplicada La tensión aplicada determina el flujo determina el flujo
máximo de la máximo de la máquinamáquina
U2(t)U2(t)U1(t)U1(t)
I0(t)I0(t)I2(t)=0I2(t)=0
e1(t)e1(t) e2(t)e2(t)
(t)
(t)
Transformador en vacíoTransformador en vacío
R devanados=0R devanados=0
tSen)t( m tSen)t( m El flujo esEl flujo essenoidalsenoidal
3.2.- Principio de funcionamiento (vacío).
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
22
U2(t)U2(t)U1(t)U1(t)
I1(t)I1(t) I2(t)I2(t)
(t) (t)
P2P2P1P1 P=0P=0
Considerando que la conversión se realiza
prácticamente sin pérdidas:
PotentradaPotenciasalida
PP1 1 P P22: U: U11*I*I11=U=U22*I*I22PP1 1 P P22: U: U11*I*I11=U=U22*I*I22
Considerando que la tensión del secundario
en carga es la misma que en vacío:
U2vacíoU2carga
1
2
2
1t I
IUU
r 1
2
2
1t I
IUU
r t2
1
r1
II
t2
1
r1
II
Las Las
relaciones de relaciones de tensiones y tensiones y corrientes corrientes
son son INVERSASINVERSASEl transformador no modifica la potencia que se transfiere,
tan solo altera la relación entre tensiones y corrientes
3.2.- Principio de funcionamiento:Relación entre corrientes.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
23
(t) (t)
Flujo de dispersión: se cierra por el Flujo de dispersión: se cierra por el aireaireFlujo de dispersión: se cierra por el Flujo de dispersión: se cierra por el aireaire
U2(t)U2(t)U1(t)U1(t)
I2(t)=0I2(t)=0I0(t)I0(t)
Representación simplificada del flujo
de dispersión (primario)
Representación simplificada del flujo
de dispersión (primario)
En vacío no circula corriente por el secundario y, por tanto, no produce flujo de
dispersión
En vacío no circula corriente por el secundario y, por tanto, no produce flujo de
dispersiónEn serie con el
primario se colocará
una bobina que será la que genere el flujo de dispersión
En serie con el
primario se colocará
una bobina que será la que genere el flujo de dispersión
I2(t)=0I2(t)=0
U2(t)U2(t)U1(t)U1(t)
(t) (t)
I0(t)I0(t)R1R1 Xd1Xd1
Flujo de Flujo de dispersiódispersió
nn
Flujo de Flujo de dispersiódispersió
nn
ResistenciResistenciaa
internainterna
ResistenciResistenciaa
internainterna
e1(t)e1(t)
101d011 eIjXIRU 101d011 eIjXIRU
3.2.2.- Flujo de dispersión.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
24
U1(t)U1(t)
(t) (t)
I1(t)I1(t)R1R1 Xd1Xd1
Flujo de Flujo de dispersióndispersiónFlujo de Flujo de
dispersióndispersiónResistenciResistenci
aainternainterna
ResistenciResistenciaa
internainterna
e1(t)e1(t) U2(t)U2(t)
R2R2
ResistenciResistenciaa
internainterna
ResistenciResistenciaa
internainternaXd2Xd2
Flujo de Flujo de dispersióndispersiónFlujo de Flujo de
dispersióndispersión
I2(t)I2(t)e2(t)e2(t)
Se ha invertido el Se ha invertido el sentido de Isentido de I22(t) para que (t) para que en el diagrama fasorial en el diagrama fasorial
II11(t) e I(t) e I22(t) (t) NO NO APAREZCAN APAREZCAN
SUPERPUESTASSUPERPUESTAS
Se ha invertido el Se ha invertido el sentido de Isentido de I22(t) para que (t) para que en el diagrama fasorial en el diagrama fasorial
II11(t) e I(t) e I22(t) (t) NO NO APAREZCAN APAREZCAN
SUPERPUESTASSUPERPUESTAS
El secundario del transformador El secundario del transformador presentará una resistencia interna presentará una resistencia interna
y una reactancia de dispersión y una reactancia de dispersión como el primariocomo el primario
Las caídas de tensión Las caídas de tensión EN CARGAEN CARGA en las resistencias y en las resistencias y reactancias parásitas son muy pequeñas: del 0,2 al 6% de reactancias parásitas son muy pequeñas: del 0,2 al 6% de
UU11
3.2.4.- El transformador en carga I.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
25
I0(t)+I2’(t)I0(t)+I2’(t)
Al cerrarse el secundario circulará por él una corriente I2(t) que creará una nueva fuerza magnetomotriz
N2*I2(t)
Al cerrarse el secundario circulará por él una corriente I2(t) que creará una nueva fuerza magnetomotriz
N2*I2(t)
La nueva fmm NO podrá alterar el flujo, ya que si así fuera se modificaría E1 que está fijada
por U1
La nueva fmm NO podrá alterar el flujo, ya que si así fuera se modificaría E1 que está fijada
por U1
Esto sólo es posible si en el primario aparece una corriente I2’(t) que
verifique:
Esto sólo es posible si en el primario aparece una corriente I2’(t) que
verifique:tr
II
NN
'I 22
1
22
trI
INN
'I 22
1
22 'III 201 'III 201
Nueva corriente Nueva corriente primarioprimarioNueva corriente Nueva corriente primarioprimario
Flujo y fmm son iguales que en vacío (los fija U1(t))
Flujo y fmm son iguales que en vacío (los fija U1(t)) 2221 IN'IN 2221 IN'IN 01222101 ININ'ININ 01222101 ININ'ININ
U2(t)U2(t)U1(t)U1(t)
(t)
(t)R1R1 Xd1Xd1
Flujo de Flujo de dispersióndispersiónFlujo de Flujo de
dispersióndispersión
ResistenciResistenciaa
internainterna
ResistenciResistenciaa
internainterna
e1(t)e1(t)
R2R2
ResistenciResistenciaa
internainterna
ResistenciResistenciaa
internainternaXd2Xd2
Flujo de Flujo de dispersiódispersió
nn
Flujo de Flujo de dispersiódispersió
nn
I2(t)I2(t)e2(t)e2(t)
Las caídas de tensión en R1 y Xd1
son muy pequeñas, por tanto, U1 E1
Las caídas de tensión en R1 y Xd1
son muy pequeñas, por tanto, U1 E1
3.2.4.- El transformador en carga II.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
26
222 IUS 222 IUS 'S'I'Ur'Ir
'US t
t2222
22 'S'I'Ur'I
r'U
S tt
22222
2
Si la relación de transformación es elevada existe una diferencia
importante entre las magnitudes primarias y secundarias. La
representación vectorial se complica
El problema se resuelve mediante la reducción
del secundario al primario
Magnitudes reducidas Magnitudes reducidas
al primarioal primario
Magnitudes reducidas Magnitudes reducidas
al primarioal primarioImpedancia cualquiera Impedancia cualquiera en el secundarioen el secundarioImpedancia cualquiera Impedancia cualquiera en el secundarioen el secundario
Se mantiene la potencia aparente, la potencia activa y reactiva, los ángulos, las pérdidas y el rendimiento
2222
2
2
2
2
22
11
ttt
t
r'Z
r'I'U
r'Ir
'U
IU
Z
2222
2
2
2
2
22
11
ttt
t
r'Z
r'I'U
r'Ir
'U
IU
Z
222 trZ'Z 222 trZ'Z
tre'e 22 tre'e 22
trU'U 22 trU'U 22
tRR rU'U 22 tRR rU'U 22
tXX rU'U 22 tXX rU'U 22
trI
'I 22
trI
'I 22
3.2.6.- Reducción delsecundario al primario.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
27
Como el transformador de 3 es de relación unidad y no tiene
pérdidas se puede eliminar, conectando el resto de los elementos del circuito
Xd1Xd1
U2’(t)U2’(t)
U1(t)U1(t)
R1R1 R2’R2’Xd2’Xd2’
I2’(t)I2’(t)
I1(t)I1(t)
XX
II
RfeRfe
IfeIfe
I0I0
Circuito equivalente de un transformador Circuito equivalente de un transformador realreal
Circuito equivalente de un transformador Circuito equivalente de un transformador realreal
El circuito equivalente permite calcular todas las
variables incluidas pérdidas y rendimiento
Los elementos del circuito equivalente
se obtienen mediante ensayos normalizados
Una vez resuelto el circuito equivalente los valores
reales se calculan deshaciendo la reducción al
primario
3.2.8.- Circuito equivalente.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
28
En ambos ensayos se miden tensiones, corrientes En ambos ensayos se miden tensiones, corrientes y potencias. A partir del resultado de las y potencias. A partir del resultado de las
mediciones es posible estimar las pérdidas y mediciones es posible estimar las pérdidas y reconstruir el circuito equivalente con todos sus reconstruir el circuito equivalente con todos sus
elementoselementos
Existen dos ensayos normalizados Existen dos ensayos normalizados que permiten obtener las caídas que permiten obtener las caídas
de tensión, pérdidas y parámetros de tensión, pérdidas y parámetros del circuito equivalente del del circuito equivalente del
transformadortransformador
Ensayo de Ensayo de vacíovacío
Ensayo de Ensayo de cortocircuitocortocircuito
3.3.- Ensayos de los transformadores.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
29
U2(t)U2(t)
U1(t)U1(t)
I2(t)=0I2(t)=0
(t) (t)
I0(t)I0(t)A WW
Secundario en circuito abiertoSecundario en circuito abierto
Tensión y frecuencia nominal
Tensión y frecuencia nominal
Condiciones Condiciones ensayo:ensayo:Condiciones Condiciones ensayo:ensayo:
Resultados ensayo:Resultados ensayo:Resultados ensayo:Resultados ensayo:
Pérdidas en el Pérdidas en el hierrohierroPérdidas en el Pérdidas en el hierrohierro WW
Corriente de vacíoCorriente de vacíoCorriente de vacíoCorriente de vacío A Parámetros Parámetros circuitocircuitoParámetros Parámetros circuitocircuito
RRfefe, , XXRRfefe, , XX
3.3.1.- Ensayo de vacío.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
30
U2(t)=0U2(t)=0
Secundario en cortocircuito
Secundario en cortocircuito
Condiciones Condiciones ensayo:ensayo:Condiciones Condiciones ensayo:ensayo:
Ucc(t)Ucc(t)
I2n(t)I2n(t)
(t) (t)
I1n(t)I1n(t)A WW
Tensión primario
muy reducida
Tensión primario
muy reducida
Corriente nominal I1n,
I2n
Corriente nominal I1n,
I2n
Resultados Resultados ensayo:ensayo:Resultados Resultados ensayo:ensayo:
Pérdidas en el Pérdidas en el cobrecobrePérdidas en el Pérdidas en el cobrecobre WW Parámetros Parámetros circuitocircuitoParámetros Parámetros circuitocircuito RRcccc=R=R11+R+R22
’ ’ RRcccc=R=R11+R+R22
’ ’ XXcccc=X=X11+X+X22’ ’ XXcccc=X=X11+X+X22’ ’
Al ser la tensión del ensayo muy baja habrá muy poco flujo y, por tanto, las pérdidas en el hierro serán despreciables (Pfe=kBm
2) Al ser la tensión del ensayo muy baja habrá muy poco flujo y, por tanto, las pérdidas en el hierro serán despreciables (Pfe=kBm
2)
3.3.2.- Ensayo de cortocircuito I.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
31
Ucc(t)Ucc(t)
RCCRCC XccXccI1n(t)=I2’(t)I1n(t)=I2’(t)
RCC=R1+R2’RCC=R1+R2’
XCC=X1+X2
’XCC=X1+X2
’
Ucc(t)Ucc(t)
R1R1 Xd1Xd1 R2’R2’Xd2’Xd2’
I2’(t)I2’(t)
I1n(t)I1n(t)
XX
II
RfeRfe
IfeIfe
I0I0
Al estar el secundario en cortocircuito se puede despreciar la rama en
paralelo
Al ser el flujo muy
bajo respecto al nominal I0
es despreciabl
e
3.3.2.- El transformador en elensayo de cortocircuito II.
Máquinas Eléctricas. Tema 3.
32
Ucc(t)Ucc(t)
RCCRCC XccXccI1n(t)=I2’(t)I1n(t)=I2’(t)
RCC=R1+R2
’RCC=R1+R2
’XCC=X1+X2
’XCC=X1+X2
’
nccncccc IjXIRU 11 nccncccc IjXIRU 11
ncc
cccc IU
PCos
1
ncc
cccc IU
PCos
1
ccccRcc CosUU ccccRcc CosUU
ccccXcc SenUU ccccXcc SenUU
ncccc IZU 1 ncccc IZU 1
I1=I2’I1=I2’
UUcccc UUcccc
CCCCCCCC
UURccRcc UURccRcc
UUXccXcc
Diagrama Diagrama fasorialfasorialDiagrama Diagrama fasorialfasorial
n
ccncc S
ZI
21
n
ccncc S
ZI
21
Para un trafo de potencia
aparente Sn
Para un trafo de potencia
aparente Sn
PCC son las pérdidas totales en el Cu
Las de Fe son despreciables en corto
PCC son las pérdidas totales en el Cu
Las de Fe son despreciables en corto
n
ccn
n
cccc U
ZIUU
1
1
1
n
ccn
n
cccc U
ZIUU
1
1
1
n
ccn
n
RccRcc U
RIUU
1
1
1
n
ccn
n
RccRcc U
RIUU
1
1
1
n
ccn
n
XccXcc U
XIUU
1
1
1
n
ccn
n
XccXcc U
XIUU
1
1
1
RccXcc RccXcc Tensiones relativas de
cortocircuito: se expresan porcentualmente
Tensiones relativas de cortocircuito: se expresan
porcentualmente
%%cc 105 %%cc 105
3.3.2.- El transformador en elensayo de cortocircuito III.