Máquinas Eléctricas. Tema 3. 1 Tema 3.- Transformadores. 3.1.- Introducción. 3.2.- Principio de...

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


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.


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.


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.


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


PrimariPrimariooPrimariPrimarioo

AislanteAislanteAislanteAislanteAlternadAlternad

ooAlternadAlternad

oo


3.1.2.- Aspectos constructivos:devanados y aislamientos II.


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


3.1.2.- Aspectos constructivos:devanados y aislamientos III.


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.


8

Transformadores en baño de aceite


3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos I.


9

Transformador seco

OFAF


3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos II.


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





3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos III.


11

Secciones de transformadores en aceite y Secciones de transformadores en aceite y secossecos

Seco

En aceite



3.1.4.- Aspectos constructivos:trafos trifásicos IV.


12



13



14



15



16



17



18



19



20

Banco trifásico de tres transformadores monofásicos con uno de reserva.



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).


22


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.


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


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


(t) (t)

I0(t)I0(t)R1R1 Xd1Xd1

Flujo de Flujo de dispersiódispersió

nn


nn

ResistenciResistenciaa

internainterna


internainterna

e1(t)e1(t)

101d011 eIjXIRU 101d011 eIjXIRU

3.2.2.- Flujo de dispersión.


24

U1(t)U1(t)

(t) (t)

I1(t)I1(t)R1R1 Xd1Xd1

Flujo de Flujo de dispersióndispersiónFlujo de Flujo de

dispersióndispersiónResistenciResistenci

aainternainterna


internainterna

e1(t)e1(t) U2(t)U2(t)

R2R2


internainterna


internainternaXd2Xd2


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.


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


(t)

(t)R1R1 Xd1Xd1


dispersióndispersión


internainterna


internainterna

e1(t)e1(t)

R2R2


internainterna


internainternaXd2Xd2


nn


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.

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