TRANSFORMADORES

Equipos Eléctricos de Baja California S. A. de C. V.

Por Ing. Miguel Ángel Diaz Ibáñez

DEFINICIÓN El transformador es una máquina eléctrica que basada en

el principio de inducción electromagnética, transfiere potencia eléctrica de un devanado a otro, estando ambos aislados eléctricamente entre si, pero unidos por medio del campo magnético.

En este proceso se modifican la tensión eléctrica y la corriente, manteniendo prácticamente constantes la frecuencia y la impedancia.

Continuación …

Leyes Fundamentales

El principio de operación de los transformadores se puede comprender muy fácilmente si se consideran las siguientes leyes elementales .

Ley de Oersted Ley de Faraday Ley de Lenz Leyes de Kirchoff

Cuando por un conductor en forma de espiras se hace circular una corriente se produce un flujo magnético.

Si el mismo arrollamiento se desarrolla sobre un núcleo de material ferromagnético, se produce un campo concentrado cuyo camino principal esta determinado por el circuito del material magnético. Dicho campo es alterno y su frecuencia depende de la frecuencia de la fuente.

Si arrollamos un segundo conductor en el mismo núcleo se obtendrá una FEM inducida en las terminales de dicho conductor.

Se denomina primario al devanado al cuál se conecta la fuente y secundario al devanado al cuál se conecta la carga.

PRINCIPIO DEL FUNCIONAMIENTO

Clasificación de Transformadores

1. Operación2. Utilización3. Numero de Fases4. Numero de Devanados5. Conexiones

Operación

Se refiere a la energía que maneja dentro del sistema eléctrico y se clasifica en.

Transformadores de Distribución

Los que tienen capacidad desde 10 kVA hasta 500 kVA y Tension hasta 34.5 Kv

Transformadores de potencia. Los que tienen capacidad superior

a 500 kVA y voltajes hasta 400 kV

Transformadores de Distribución

Tipo Poste

Tipo Pedestal

Tipo Sumergible

Utilización

Transformadores para Generador. Son transformadores de potencia que

van conectados a la salida del generador elevando el voltaje producido por este para evitar la energía a través de las líneas de transmisión.

Transformadores de Subestación. Son transformadores de potencia que

se conectan en diferentes puntos de las líneas para reducir el voltaje a niveles requeridos por la red eléctrica.

Utilización (cont.)

Transformadores de Distribución Estos reducen el voltaje de Sub-transmisión a valores utilizables en zonas de consumo, comercial y doméstico

Transformadores Especiales Son transformadores de potencia o de

distribución diseñados para aplicaciones no incluidas en las anteriores, estas pueden ser.

Transformadores para rectificador Transformadores para horno de arco eléctrico Transformadores desfasadores Transformadores para industria minera

Número de fases

Monofásicos. Transformadores de

potencia o de distribución que son conectados a una línea o fase y a un neutro o tierra. Simbolo 1

Trifásicos. Transformadores de

potencia o de distribución que son conectados a tres líneas o fases y pueden estar o no conectados a un neutro o tierra común tiene tres devanados de alta tensión y tres devanados de baja tensión.

Número de Devanados

Un devanado (Autotransformador) Dos devanados (Transformador) Tres Devanados

Tipos de Conexiones

DELTA-ESTRELLA ESTRELLA-ESTRELLA AUTOTRANSFORMADOR DELTA-ESTRELLA ZIG-ZAG T-T ESTRELLA-ESTRELLA CON TERCIARIO

Conexión Delta-Estrella

Ventajas Voltajes de tercera armónicas se eliminan por la

circulación de la corriente armónicas en la delta del primario

El neutro del secundario puede ser aterrizado o aislado para alimentar un sistema de 4 hilos.

Es posible alimentar un sistema desbalanceado de 4 hilos y los desbalances en voltajes son relativamente pequeños, siendo proporcional solo a la impedancia interna de los devanados.

Desventajas y AplicacionesDelta-Estrella

La falla de una fase excluye de servicio al transformador.

Comúnmente usada en transformadores reductores para alimentar sistemas de 4 hilos.

En transformadores elevadores.

Al aterrizar el neutro del secundario, esta conexión proporciona aislamiento para la corriente de tierra de secuencia cero , lo cuál permite controlar el circuito de secuencia cero desde el secundario, siendo totalmente independiente del primario

Conexión Estrella-Estrella

Ventajas. 1. Mayor utilización del cobre (vueltas

mínimas)

2. Aislamiento reducido

3. Conexión mas económica para pequeñas cargas de alto voltaje

4. Ambos neutros accesibles para aterrizamiento, o para formar un sistema balanceado de cuatro hilos.

Conexión Estrella-Estrella

Ventajas (cont.)

5. La capacidad entre vueltas es relativamente alta, por lo tanto, la severidad del esfuerzo dieléctrico debido a transitorios de voltajes es atenuada.

6. Si una fase resulta fallada, es posible utilizar las dos restantes.

7. Bajo condiciones de operación normal, el voltaje máximo a tierra en cada fase es solo 1/3 de voltaje de línea, graduándose hasta prácticamente cero en el neutro .

Desventajas Estrella-Estrella

1. Los neutros son inestables a menos que se aterricen sólidamente.

2. Unidades trifásicas de polaridad opuesta no pueden operar en paralelo.

3. La falla de una fase en un sistema trifásico, lo hará inoperante hasta ser reparado.

Aplicaciones Estrella-Estrella

1.Alimentación de cargas trifásicas balanceadas relativamente pequeñas.

2. Para distribución, si es del tipo de columnas, ya que el tipo acorazado introduce distorsión debido al contenido de armónicas.

Tipos de Núcleo de acuerdo a la relación devanados-núcleo

Columna Acorazado

Comparativo tipo Columna vs Acorazado

Mayor volts/vuelta

Mayor número de vueltas

Distancia grande /bobinas y tanqueGuía de los taps largas

Bobinas visibles para inspección (sin cuba)

Eficiente flujo de aceite

Bobinas continuas

Parte del núcleo soporta bobinas

AcorazadoColumna

Columna

Acorazado

Columna

Columna

Acorazado

Columna

Tipo Columna

Conocido también como tipo “core” en esta construcción, el núcleo proporciona un solo circuito magnético formado por un yugo superior y 2 o 3 columnas verticales o piernas para 1 o 3 fases, respectivamente.

Los devanados son ensamblados concentricamente en cada una de las columnas o piernas del núcleo. El circuito eléctrico envuelve al circuito magnético.

Tipo columna comunes

Tipo Acorazado

Conocido como tipo “SHELL” En esta construcción los devanados forman 1 ó 3 anillos,

Para 1 ó 3 fases respectivamente y el núcleo se ensambla alrededor de ellos, formando 2 o mas circuitos magnéticos que envuelven al circuito eléctrico.

Tipo Acorazado mas comunes

Tipos de Núcleos de acuerdo a su Construcción

Núcleo a tope y traslape Núcleo enrollado Núcleo a Inglete

Núcleo a tope y traslape Se usa comúnmente Acero de Núcleo rolado en caliente

Núcleo enrollado Se usa solamente comúnmente Acero

rolado en frío o con acero Orientado

Núcleo a Inglete Se usa comúnmente Acero rolado en frío

en forma laminada con corte angular

Aislamientos en Transformadores

Los sistemas o estructuras aislantes de la mayoría de los transformadores consisten casi completamente de la combinación de cartón comprimido, papel y aceite mineral.

La combinación de aceite y papel es altamente recomendable, resultando en propiedades dieléctricas superior a cualquiera de a las dos en forma separada.

Aislamientos Sólidos Aislamientos Líquido

s

Aislamientos Sólidos y sus funcionamientos

Aislar entre sí espiras de una misma bobina.

Aislar entre sí a los devanados. Aislar contra tierra a los devanados. Soportar sin daño los esfuerzos eléctricos Soportar sin daño los esfuerzos mecánicos Soportar sin daño los esfuerzos térmicos

Materiales aislantes mas utilizados

Papel Kraft Papel Crepé Papel Pressboard Cartón comprimido Fibra de vidrio Porcelana Aislantes

termoplásticos Cintas de Algodón

Arreglos Bobinas -Aislamientos

Columna.- Los devanados y aislamientos están dispuestos concéntricamente rodeando al circuito magnético.

Acorazado.- El circuito magnético forma un acoraza alrededor del arreglo de aislamientos y bobinas.

Arreglos de Bobinas –Aislamientos (Cont.)

Aislamiento entre bobinas y tierra. - Piezas de cartón. Aislamiento entre devanados. - barreras de diferentes tamaños y espesor

de cartón comprimido (pressboard). Aislamiento entre capas, secciones y

vueltas del mismo devanado. - papel de alto esfuerzo dieléctrico o tiras

de cartón comprimido.

Materiales aislantes mas utilizados

Materiales aislantes mas utilizados

Clasificación Clase O 90 C Temperatura máxima

Clase A 105 C Temperatura máxima

Aislamientos Líquidos

Los líquidos aislantes para usos electrotécnicos son obtenidos por destilación fraccionada del petróleo y es comúnmente conocido como aceite dieléctrico.

Funciones del Aceite Aislante

1.-Aislante Eléctrico

2.-Refrigerante

3.-Protección de aislamientos

sólidos contra la humedad

Propiedades Refrigerantes del Aceite

Convección Radiación Conducción

Papel a Aceite = Conducción

Radiadores a Atmósfera = Conducción

Cuba a Atmósfera = Radiación

Convección

Convección Natural Convección Forzada

Convección natural ó termosifón

Fenómeno de circulación natural que presenta los fluidos, debido a las diferencias de densidades que se originan al calentarse

Convección Forzada

Con el objeto de aumentar la eficiencia de transmisión del flujo de calor se utilizan bombas para obligar al aceite a fluir sobre las superficies de las bobinas a velocidades mas elevadas.

Radiación

Consiste en la emisión y absorción de ondas electromagnéticas que se desplazan a la velocidad de la luz.

Conducción

Se transmite el calor a través de una sustancia por actividad molecular. La capacidad de una sustancia para conducir el calor , se mide por la conductividad térmica.

Tipos de aceite

Aceites Artificiales Comúnmente llamados Askareles Compuestos sintéticos no flamables Son muy estables y difíciles de

destruir. Contaminantes ambientales y

tóxicos También existen el R-Tem y Silicón

Tipos de aceite (Cont.)

Aceites Derivados del Petróleo Nafténicos ó Parafínicos La materia prima Para la fabricación de

aceites aislantes, está constituida por hidrocarburos parafínicos, nafténicos y aromáticos; así mismo se encuentran presentes en concentraciones muy bajas, compuestos de azufre, nitrógeno y oxígeno que son denominados compuestos polares e imparten al aceite su inestabilidad a la oxidación.

Tipos de aceite (Cont.)

ESTRUCTURAS MOLECULARES DE ACEITES AISLANTES

Los aceites derivados del petróleo, básicamente están formados por carbono e hidrógeno, se consideran parafínicos aquellos de cadena lineal o ramificada conocidos como n-alcanos, estos compuestos debido a su estructura química son más inestables que los nafténicos y aromáticos.

Tipos de aceite (Cont.)

Aceites Derivados del Petróleo Las causas más comunes del deterioro del

aceite en los transformadores son entre otras, la contaminación por la húmedad y la formación de ácidos, y los causados por la oxidación. La húmedad, Baja notablemente el poder aislante del aceite, en tanto que los ácidos orgánicos son conductores en sí y ayudan a retener el agua.

Sistemas de Enfriamiento

OA (ONAN)

FA (ONAF)

FOA (OFAF)

OW (ONWF)

FOW (OFWF)

Sistema OA Se basa por un lado

en una circulación de aire sin restricción.

El tanque disipa calor por convección natural y por radiación.

Unidades mayores de 150 KVA requieren aumentar su superficie con Radiadores.

Distancia H

Tipos de Radiadores

Tipo Tubo Tipo Plato u Oblea

Sistema FA

Para capacidades arriba de 20 MVA.

Usan motoventiladores con lo que se incrementa la eficiencia de enfriamiento hasta en 4 veces, esto requiere menos radiadores. Se hace mas compacto el transformador.

Sistema FA ( Desventajas)

Nivel de ruido aumenta Agregar dispositivos de control y

protección eléctrica Aumenta el mantenimiento Necesidad de alimentación de

auxiliares de energía.

Sistema FOA

Para equipos de gran capacidad-altas pérdidas es necesario mejorar la eficiencia del enfriamiento se logra de dos maneras :

Agregando bombas al sistema FA. Usando Intercambiadores de calor

FOA “compactos” .

Ejemplo Sistema FOA

Sistema OW

En este sistema la circulación se realiza mediante el bombeo de agua fría a través del interior de los tubos mientras el aceite caliente circula por el exterior.

Centro de enfriamiento

Sistema FOW

Similar al OW solo que el aceite es impulsado por bombas a través del enfriador.

Se usa en transformadores tipo horno y en plantas hidroeléctricas.