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Jorge Patricio Muñoz Vizhñay
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1.- Introducción.2.- Definiciones fundamentales3.- Principio de funcionamiento de un transformador
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Transformador elementalTransformador elemental
Se utilizan en redes eléctricas para convertir tensiones o voltajes (monofásicas o trifásicas) en otros valores de mayor o menor tensión e igual frecuencia.El transformador ideal considera nula las pérdidas de potencia y energía, con lo cual:Potencia entrada Potencia salidaEl número de espiras de las bobinas o devanados son directamente proporcionales a las tensiones e inversamente proporcionales a las intensidades.
Cuando el transformador es elevador: V2>V1; I2<I1
Cuando el transformador es reductor: V2<V1; I2>I1
Los valores nominales que definen a un transformador son: Potencia aparente (S), Tensiones (U), Corrientes (I) y
frecuencia (f)
Secundario
I1
I2
Núcleo de chapa magnética aislada
Primario
Flujo magnético
Introducción
Es una máquina eléctrica estática destinada a funcionar en corriente alterna, constituida por dos arrollamientos, primario y secundario.
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El silicio (Si) incrementa la resistividad del material y reduce las corrientes parásitas
En la construcción del núcleo se utilizan chapas de acero aleadas con silicio (Si) de muy bajo espesor (0,3 mm) aprox.
Aspectos constructivos: circuito magnético
Dispone de:a) Núcleob) Devanados o bobinadosc) Sistema de refrigeraciónd) Aisladores pasantes y otros elementos
Las chapas se aíslan mediante un tratamiento químico (Carlite) y se obtiene por laminación en frio: aumenta la permeabilidad.El material más utilizado es la chapa de silicio de grano orientado por la capacidad que tiene para orientar el campo electromagnético sin que se produzcan grandes calentamientos por perdidas.
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En los transformadores de gran potencia se intercalan entre las chapas canales de ventilación para evacuar el calor.
Aspectos constructivos:circuito magnético
Mediante este procedimiento se obtienen factores de relleno del 95-98%
Otro aspecto característico constituyen las secciones transversales de las columnas. En transformadores pequeños se construyen en forma cuadrada y en mayores potencias con la bobina circular la sección es tipo "cruciforme ".
Aspectos constructivos: circuito magnético
Montaje de láminas de silicio en un transformador de pequeña potencia.
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1
2
345
El núcleo puedetener sección cuadrada. Pero es más frecuente aproximarlo a la circular
Montaje chapas núcleo
Corte a 90ºCorte a 90º Corte a 45ºCorte a 45º
Aspectos constructivos: circuito magnético
1
2
345
Aspectos constructivos: circuito magnético
Montaje de láminas de silicio en un transformador
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Fabricación núcleo: Fabricación núcleo: chapas magnéticaschapas magnéticas
Aspectos constructivos: circuito magnético
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600-5000 V
4,5 - 60 kV
> 60 kV
Diferentes formas constructivas de devanados Diferentes formas constructivas de devanados según tensión y potenciasegún tensión y potencia
Se realizan mediante conductores de cobre en forma de hilos redondos para diámetros inferiores a 4 mm y sección rectangular para mayores secciones.Los conductores de los devanados están aislados entre sí con una capa de barniz para secciones circulares o con fibra de algodón o cinta de papel impregnado en aceite para secciones (pletinas) rectangulares.
Aspectos constructivos: devanados y aislamientos
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Estructura de Estructura de devanados de devanados de transformadortransformadoreses
Aspectos constructivos: devanados y aislamientos
Los devanados pueden ser concéntricos o alternados.Los devanados concéntricos tienen forma de cilindros coaxiales, el de BT generalmente esta más cercano del núcleo por la facilidad de aislar.En los devanados alternados se subdividen en secciones o "galletas" de tal forma que las partes de AT y BT se suceden alternativamente.
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Estructura Estructura devanados: devanados: transformadtransformador or monofásicomonofásico
Núcleo con 2 Núcleo con 2 columnascolumnas
Núcleo con 3 Núcleo con 3 columnascolumnas
SecundariSecundarioo
PrimarioPrimarioPrimarioPrimario
SecundariSecundarioo AislanteAislante
ConcéntricoConcéntrico
SecundariSecundarioo
AislantAislantee
PrimarioPrimario
PrimariPrimarioo
AislanteAislanteAlternadAlternad
oo
SecundariSecundarioo
Aspectos constructivos: devanados y aislamientos
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Estructura Estructura devanados: devanados: transformadtransformador trifásicoor trifásico
Núcleo con 3 columnasNúcleo con 3 columnasPrimarioPrimario
SecundariSecundarioo
AislanteAislante
Aspectos constructivos: devanados y aislamientos
Núcleo acorazadoNúcleo acorazado
14Fabricación núcleo: Fabricación núcleo: chapas magnéticaschapas magnéticas
Bobinado de Bobinado de conductores:conductores:devanadosdevanados
Aspectos constructivos: devanados y aislamientos
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Aspectos constructivos: devanados y aislamientos
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Aspectos constructivos: devanados y aislamientos
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1 1 NúcleoNúcleo1’1’ Prensaculatas Prensaculatas22 Devanados Devanados33 Cuba Cuba4 4 Aletas refrigeraciónAletas refrigeración55 Aceite Aceite66 Depósito expansión Depósito expansión77 Aisladores (BT y AT) Aisladores (BT y AT)88 Junta Junta99 Conexiones Conexiones1010 Nivel aceite Nivel aceite1111 - 12- 12 Termómetro Termómetro13 - 1413 - 14 Grifo de vaciado Grifo de vaciado1515 Cambio tensión Cambio tensión1616 Relé Buchholz Relé Buchholz1717 Cáncamos transporte Cáncamos transporte1818 Desecador aire Desecador aire1919 Tapón llenado Tapón llenado2020 Puesta a tierra Puesta a tierra
Aspectos constructivos: refrigeración
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Aspectos constructivos:Relé Buchholz
El relé Buchholz es un dispositivo que se monta en algunos transformadores (de potencia) en baño de aceite que van equipados con un depósito externo de expansión en su parte superior.El relé Buchholz se usa como dispositivo de protección contra fallos del dieléctrico en el interior del equipo por la descomposición química del aceite. Los gases que fluyen hacia el conservador de aceite o la onda expansiva generada por la formación rápida de gases activa el sistema de alarma del relé de Buchholz.Si el nivel de aceite en el conservador queda por debajo de un valor determinado o sea si el conservador pierde aceite, el relé de Buchholz toma la función de un indicador del nivel de aceite.
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Aspectos constructivos: refrigeración
Para transformadores de pequeñas potencias, la superficie externa es suficiente para evacuar el calor lo que da lugar a transformadores secos.Para potencias elevadas se emplea el transformador sumergido en aceite teniendo la doble misión de refrigerar y aislar.El aceite mineral procede de un subproducto de la destilación fraccionada del petróleo.
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Aspectos constructivos:refrigeración
El aceite puede experimentar un proceso de envejecimiento lo que indica que se oxida y polimeriza notándose la presencia de lodo, proceso activado por la temperatura, la humedad y el contacto con el oxígeno del aire.Para evitar la entrada de humedad se coloca en el transformador un desecador de cloruro cálcico o un gel de sílice.
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Aspectos constructivos:refrigeración
El bifenilo ploriclorado (PCB) es un aceite de compuesto químico formado por cloro, carbón e hidrógeno. El PCB es resistente al fuego, muy estable, no conduce electricidad y tiene baja volatilidad a temperaturas normales. Éstas y otras características han hecho ideal para los transformadores. Pero estas cualidades hacen al PCB peligroso para el ambiente, especialmente su resistencia extrema a la ruptura química y biológica a través de procesos naturales.
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Aspectos constructivos:refrigeración
Estudios del PCB determinan los efectos que produce en la salud de los seres humanos. Los científicos convienen en que es poco probable que la baja exposición a los PCBs, a corto plazo, genere lesiones serias. Sin embargo, la mayoría coincide sobre los efectos adversos provocados por la exposición a largo plazo, incluso en concentraciones bajas.
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Transformadores en baño de aceite
Aspectos constructivos:
transformadores trifásicos
Un transformador en baño de aceite con circulación natural por convección refrigerado por aire con movimiento natural se designa ONAN. Si el movimiento del aire se hace con ventiladores se denomina ONAF.
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Transformador seco
OFAF
Aspectos constructivos:
transformadores trifásicos
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5 MVA5 MVABaño de Baño de aceiteaceite
2,5 MVA2,5 MVABaño de aceiteBaño de aceite
1,250 MVA1,250 MVABaño de aceiteBaño de aceite
10 MVA10 MVASellado con NSellado con N22
10 MVA10 MVASellado con NSellado con N22
Aspectos constructivos:
transformadores trifásicos
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10 MVA10 MVASellado con NSellado con N22
10 MVA10 MVASellado con NSellado con N22
Aspectos constructivos:
transformadores trifásicos
El aceite circula alrededor de los devanados hacia los radiadores donde el calor es cedido al exterior.Para potencias elevadas, se pasa aire forzado producido por ventiladores sobre los radiadores.En transformadores de varios MVA’s se puede refrigerar mediante un intercambiador de calor aceite-agua. El aceite caliente se bombea a través de un serpentín en contacto con el agua fría.
27Banco trifásico de tres transformadores monofásicos con uno de reserva.
Aspectos constructivos:
transformadores trifásicos
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Secciones de transformadores en aceite y Secciones de transformadores en aceite y secossecos
Seco
En aceite
Aspectos constructivos:
transformadores trifásicos
Seco
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Secciones de transformadores secosSecciones de transformadores secos
Seco
Aspectos constructivos:
transformadores trifásicos
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Transformador seco
OFAF
Aspectos constructivos:
transformadores trifásicos
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Transformador seco
OFAF
Aspectos constructivos:
transformadores trifásicos
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Transformador seco
Aspectos constructivos:
aisladores pasantesLos bornes de los transformadores de media tensión se llevan al exterior de la cuba mediante unos aisladores pasantes (pasatapas) de porcelana, rellenos de aire o aceite.Los pasatapas (aisladores) de AT y BT en un transformador se distinguen por su altura.
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Transformador seco
Aspectos constructivos:
aisladores pasantesLos bornes de los transformadores de media tensión se llevan al exterior de la cuba mediante unos aisladores pasantes (pasatapas) de porcelana, rellenos de aire o aceite.Los pasatapas (aisladores) de AT y BT en un transformador se distinguen por su altura.
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Transformador seco
Aspectos constructivos:
aisladores pasantesLos bornes de los transformadores de media tensión se llevan al exterior de la cuba mediante unos aisladores pasantes (pasatapas) de porcelana, rellenos de aire o aceite.Los pasatapas (aisladores) de AT y BT en un transformador se distinguen por su altura.
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Transformador seco
Aspectos constructivos:
aisladores pasantesLos bornes de los transformadores de media tensión se llevan al exterior de la cuba mediante unos aisladores pasantes (pasatapas) de porcelana, rellenos de aire o aceite.Los pasatapas (aisladores) de AT y BT en un transformador se distinguen por su altura.
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Transformador seco
Aspectos constructivos:
potencias comerciales
Monofásicos(kVA)
Trifásicos(kVA)
5 1510 2515 3025 45
37,5 5050 7575 100
112,5
Transformadores de DistribuciónTransformadores de Distribución
Monofásicos(kV)
Trifásicos(kV)
13,2 / √3 13,213,8 / √3 13,822 / √3 22
2 x 120 V (BT) 3x210 V o 3 x 220 V (BT)
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Transformador seco
Aspectos constructivos: potencias comerciales
Placas de Transformadores de DistribuciónPlacas de Transformadores de Distribución
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Transformador seco
Aspectos constructivos:
potencias comerciales
Símbolos empleados para designar un transformadorSímbolos empleados para designar un transformador
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Transformador seco
V2(t)
V1(t)
I0(t)
I2(t)=0
e1(t)
e2(t)
(t)
R devanados = 0
Principio de funcionamiento de un transformador ideal en vacío
Debido a la variación periódica del flujo se crean fem’s inducidas en los arrollamientos que de acuerdo a la ley de Faraday se tiene:
dtdφNe
dtdφNe
22
11
El transformador ideal asume lo siguiente:
1)Los devanados tienen resistencias óhmicas despreciables lo que no hay pérdidas Joule y no existen caídas de tensión resistivas.2)No existen flujos de dispersión y todo el flujo magnético esta confinado en el núcleo enlazando el devanado primario y secundario.
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Transformador seco
V2(t)
V1(t)
I0(t)
I2(t)=0
e1(t)
e2(t)
(t)
R devanados = 0
Principio de funcionamiento de un transformador ideal en vacío
e1(t) representa la fcem porque se opone a la tensión aplicada U1(t) y limita la corriente del primario.e2(t) representa la fem inducida por efecto del primario.Se parte de un flujo senoidal:
Derivando y reemplazando:
Lo que indica que las tensiones y fem´s van adelantadas 90 respecto al flujo, siendo sus valores eficaces.
Dividiendo una expresión para la otra resulta: m
NN
EE
VV
2
1
2
1
2
1
m2m2
22
m1m1
11
φN*f*4,442
ωφNEV
φN*f*4,442
ωφNEV
tcosωωφNvetcosωωφNev
m222
m111
)90tcos(wφtsenωφφ omm
V2(t)
V1(t)
I0(t)
I2(t)=0
e1(t)
e2(t)
(t)
R devanados = 0
Principio de funcionamiento de un transformador ideal en vacío
El transformador ideal sin carga o en vacío se comportará como una bobina con núcleo de hierro, en este caso el transformador absorberá una corriente de vacío I0. La corriente I0 forma un ángulo φ0 con la tensión aplicada V1. De esta manera la potencia absorbida en vacío P0, será igual a las pérdidas en el hierro PFe, cumpliéndose:
001Fe0 cos I VPP
V2(t)
V1(t)
I0(t)
I2(t)=0
e1(t)
e2(t)
(t)
R devanados = 0
Principio de funcionamiento de un transformador ideal en vacío
La I0 tiene dos componentes, una activa IFe y otra reactiva Iᵤ
IFe
I
V1=E1
V2=E2
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V2(t)V1(t)
I1(t) I2(t)
P2P1
P=0
Considerando el transformador ideal donde la conversión se realiza sin pérdidas:Pot entrada Pot salida
P1 P2 V1*I1 = V2*I2
Considerando que la tensión del secundario con carga es la misma que en vacío:V2vacío V2carga
Las relaciones de tensiones y
corrientes son INVERSAS
El transformador no modifica la potencia que se transfiere, tan solo altera la relación entre tensiones y corrientes
(t)
Principio de funcionamiento Relación entre corrientes
1
2
2
1
II
VV
m mI
I 21
44
V2(t)V1(t)
I1(t) I2(t)
P2P1
Pnúcleo
Considerando las pérdidas en el transformador, la corriente primaria será:
Principio de funcionamiento Relación entre corrientes
(t)
m2
0201I I III ,
Ecuación que expresa la relación entre la corriente primaria I1, de vacío I0 y secundaria I2.
La corriente I1 tiene dos componentes:
1.La corriente de excitación o vacío I0 produce el flujo magnético en el núcleo y vence las pérdidas a través de sus componentes IFe e Iᵤ.2.La corriente de carga I2’ que equilibra o contrarresta la acción desmagnetizante de la fmm secundaria para que el flujo en el núcleo permanezca constante e independiente de la carga.
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(t)Flujo de dispersión: se cierra por el aire
V2V1
I2(t)=0I0
Representación simplificada del flujo de dispersión en el devanado primario.El flujo producido por la bobina se reparte en una parte en el aire y otra en el núcleo.
En vacío no circula corriente por el secundario y, por tanto, no produce flujo de dispersión.
En serie con el bobinado primario se colocará una resistencia interna del devanado y una reactancia de dispersión que será la que genere el flujo de dispersión.
I2=0
V2V1
(t)
I0 R1 Xd1
Flujo de dispersió
n
Resistencia
interna
e1(t)
Principio de funcionamiento de un transformador real
)jX(RIEeIjXIRV d110110d1011
46
V1
(t)
I1R1 Xd1
Flujo de Flujo de dispersióndispersión
ResistenciResistenciaa
internainterna
e1(t) V2
R2
ResistenciResistenciaa
internainternaXd2
Flujo de Flujo de dispersióndispersión
I2e2(t)
El bobinado secundario del transformador presentará una resistencia interna y una reactancia de dispersión como el primario. Donde e1 y e2 son las fem’s, resulta E1 y E2 en valores eficaces (donde øm es el flujo máximo que circula por le circuito magnético):
Principio de funcionamiento de un transformador real con carga
m2
m1
φNf4,44φNf4,44
2
1
EE
2222
1111
IIEVIIEV
22
11
jXRjXRA Xd1 y Xd2 se ha denominado con X1 y
X2 denominadas reactancias de dispersión.
dtdφNe
dtdφNe
22
11
47
V1
(t)
I1R1 X1
Flujo de Flujo de dispersióndispersión
ResistenciResistenciaa
internainterna
e1(t) V2
R2
ResistenciResistenciaa
internainternaX2
Flujo de Flujo de dispersióndispersión
I2e2(t)
Principio de funcionamiento de un transformador real con carga
22
11
EVEV
mNN
EE
2
1
2
1
mVV
2
1
La relación entre los valores eficaces será:
Las caídas de tensión a plena carga en las resistencias y reactancias parásitas son muy pequeñas del orden del 1,0 al 10% de V1 por lo que las relaciones se convierten en:
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Se tiene la ventaja de desarrollar circuitos eléctricos equivalentes de máquinas eléctricas para aplicar el potencial de la teoría de los circuitos eléctricos.El circuito equivalente se inicia reduciendo ambos devanados al mismo número de espiras. Generalmente se reduce el secundario al primario y se marca a los elementos del secundario referido al primario con una tilde.
X1
V2’V1
R1 R2’X2’
I2’
I1
X
I
RFe
IFe
I0
Circuito equivalente de un transformador Circuito equivalente de un transformador realreal
Circuito equivalente
22 VmV ,
mI
I 22 ,
22
2 RmR ,2
2,2 XmX L
2,L ZZ m
49
X1
V2’V1
R1 R2’=m2 R2X2’=m2 X2
I2’
I1
X
I
RFe
IFe
I0
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 o pruebas.
Una vez resuelto el circuito equivalente los valores reales del lado secundario pueden ser obtenidos pasando del primario al secundario con la relación de transformación.
Circuito equivalente
La importancia de la reducción de los devanados al haber elegido la igualdad N2’=N1 radica en que se puede obtener el transformador sin función de transformación, es decir se sustituye los devanados acoplados magnéticamente por un circuito eléctrico acoplado eléctricamente.
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Circuito equivalente
En la práctica, debido al reducido valor de I0 frente a las corrientes I1 e I2 se suele trabajar con un circuito equivalente aproximado que se obtiene trasladando la rama en paralelo a los bornes de entrada del primario.
Circuito equivalente aproximado de Circuito equivalente aproximado de un transformador reducido al primarioun transformador reducido al primario
R1 X1 R2’X2
’
V1
V2’
I1
I2’I0
51
Circuito equivalente
De esta manera el circuito resultante tendrá una impedancia serie: Rcc + j Xcc (resistencia y reactancia de cortocircuito).
Circuito equivalente aproximado de Circuito equivalente aproximado de un transformador reducido al primarioun transformador reducido al primario
Rcc Xcc
V1 V2’
I1(t)
I2’(t)I0
'21cc
'21cc
XXX
RRR