Ingeniería Mecánica Eléctrica

FACULTAD DE INGENIERÍA

Escuela de Ingeniería Mecánica Eléctrica

DOCENTE : ING. BRUNO BRAVO DIAZ

TEMA : TRANSFORMADORES

CURSO : MAQUINAS ELECTRICAS ESTATICAS

M

CICLO : VII

GRUPO : B

ALUMNOS:

HUAMANCHUMO CALDERON ALBERTO

PEÑA ARMAS WALTER SANTIAGO MORENO DANI DIAZ PEREZ MARK ANTHONY LUIS ZAVALETA ROMERO

AÑO 2016

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INDICE

1. TRANSFORMADORES…………………………………………………………………………………31.1.PROTECCION DE

TRANSFORMADORES………………………………………………..51.2.EFICIENCIA ENERGETICA DE LOS TRANSFORMADORES……………………….91.3.PÉRDIDAS EN TRANSFORMADORES……………………………………………………

121.4.MEDIDAS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN EL USO DE

TRANSFORMADORES…………………………………………………………………………17

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TRANSFORMADORES

Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

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PROTECCION DE TRANSFORMADORES

Generalidades Protección diferencial de transformadores Protección de transformadores con relés de sobrecorriente. Detección mecánica de fallas en un transformador Detección térmica de condiciones anormales en un transformador

Introducción:

El costo de reparar transformadores defectuosos puede ser grande y demás pérdidas que ello conlleva, sumado a ello los problemas de operación, se justifica el empleo de dispositivos de protección muy veloces y de gran sensibilidad, particularmente en los de mayor tamaño.

Los fallos internos en un transformador frecuentemente involucran una magnitud de corriente de falla que es relativamente baja comparada con la nominal del transformador.

De allí la necesidad de alta sensibilidad y velocidad para obtener una buena protección.

Los transformadores con moderna protección contra sobretensiones son generalmente más confiables.

No hay una norma que se sigue para proteger todos los transformadores, e incluso para transformadores idénticos que tengan aplicaciones diferentes.

La mayoría de instalaciones exige un análisis de la ingeniería para determinar el mejor esquema y el más rentable.

Más de un esquema es técnicamente factible, las diferentes alternativas ofrecen diferentes grados de sensibilidad, velocidad, y selectividad.

El plan seleccionado deberá, mantener al mínimo:

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– Los costos de reparación. – El costo de pérdida de producción. – Los factores adversos en la estabilidad del sistema. – El período de indisponibilidad del equipo dañado.

En la protección de transformadores, es necesario considerar una protección de respaldo.

La falla de un relé o de un interruptor durante la falla de un transformador puede causar que el daño se agrave en el transformador.

Cuando la fallas se extiende debido al no aclaramiento de la protección del transformador, los relés de línea remota u otros relés de protección pueden operar.

La protección a aplicar debe evitar que el sistema integral puede ser afectado.

Algunos eventos son de baja probabilidad de ocurrencia pero grandes efectos, una diversidad de opinión en el grado de protección requerido podría esperarse.

TIPOS DE FALLAS EN LOS TRANSFORMADORES

Pueden agruparse en seis categorías:

– Fallas en los devanados.

– Fallas en el cambiador de tomas.

– Fallas en los bushing.

– Fallas en el tablero.

– Fallas en el núcleo.

– Fallas diversas.

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CAUSA DE FALLAS EN LOS DEVANADOS

Defecto de aislamiento entre espiras. Sobretensiones por descargas atmosféricas, de maniobra, etc. Humedad. Fallas externas (provoca daño en el aislamiento). Sobrecalentamiento. Rotura del devanado. Deterioro. Inapropiado fijación de espiras. Aterramientos. Fallas fase a fase. Defectos mecánicos.

FALLAS EN CAMBIADOR DE TOMAS

• Mecánicos • Eléctricos • Contactos. • Conductores. • Alineamientos. • Sobrecalentamiento. • Cortocircuitos.• Fuga de aceite. • Falla externa.

FALLAS EN EL BUSHING

• Envejecimiento, contaminación, y fisuras • Descargas debido a animales. • Descargas debido a sobretensiones. • Humedad.• Bajo nivel de aceite.

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FALLAS EN EL TABLERO

• Perdidas de conexiones• Conductores abiertos• Humedad• Aislamiento insuficiente• Desajuste• Cortocircuitos

FALLAS EN EL NUCLEO

• Falla en el aislamiento del núcleo• Laminaciones en cortocircuitos• Perdidas de pernos, tuercas, cuñas.

ESTADISTICAS DE FALLAS

• Fallas en devanados 51%• Fallas en cambiador de tomas 19%• Fallas en bushing 9%• Fallas en tableros 6%• Fallas en el núcleo 2%• Fallas diversas 13%

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CARACTERISTICAS

1. El cambio en la magnitud de corriente en terminales del transformador puede ser reducida, Por ejemplo: Al tener un número limitado de espiras en cortocircuito.

2. Cuando un transformador es energizado la corriente magnetizante inicial (INRUSH) solo circula en el primario y es varias veces la corriente nominal.

3. Estas y otras consideraciones requieren un cuidadoso análisis para obtener la característica del relé más apropiado.

EFICIENCIA ENERGETICA DE LOS TRANSFORMADORES

En diciembre de 1997 se celebró la Convención sobre el Cambio Climático de las Naciones Unidas, en la que se decidió reducir el nivel de emisión de agentes contaminantes. El llamado protocolo de Kioto. Éste establece que los países desarrollados deben reducir sus emisiones de gases causantes del

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efecto invernadero (el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso, los clorofluorocarbonos (CFC) y el ozono) en un 5,2% para el año 2012 respecto a las emisiones del año 1990. El contenido en dióxido de carbono, principal causante del efecto invernadero, se ha incrementado aproximadamente un 30% desde 1750, como consecuencia del uso de combustibles fósiles como el petróleo, el gas y el carbón.

En 1996 se consumieron en el mundo 26.100 millones de barriles de petróleo, 2,32 billones de metros cúbicos de gas natural y cerca de 4.700 millones de toneladas de carbón. Si se trasladan esas cifras a unidades de energía, se puede decir que el consumo de energía mundial en ese año fue de 137 billones de julios de petróleo, 88 billones de julios de carbón y 77 billones de julios de gas natural.

En la Unión Europea, y en concreto de España, la dependencia de combustibles fósiles es muy importante, para reducir el consumo y en definitiva la emisión de CO2 obliga a barajar distintas opciones:

• Aumentar la presencia de energía nuclear, pero la generación de residuos radioactivos y la “mala prensa” que esta posee, ha reducido sus posibilidades como solución a reducir las emisiones de CO2.

• Fomentar la utilización de energías alternativas. Pero éstas son de coste muy elevado y son poco fiables como fuentes de energía estables. Aunque el desarrollo de ciertas fuentes alternativas de energía se hace cada vez más importante, y es en definitiva una solución a largo plazo y cada vez mas justificable con los incremento de los combustibles fósiles.

• Reducir los consumos. Entre ellos el de la energía eléctrica, dentro de la energía eléctrica hay varias formas de reducir éstos, un aspecto “más controlable” por las compañías es la disminución de las pérdidas en los transformadores de distribución.

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Dentro de las pérdidas energéticas que podemos encontrar:

• Perdidas en las redes, las podemos reducir mejorando el diseño de las redes, su grado de utilización, su operatividad y gestionando mejor la demanda y la generación.

• Pérdidas técnicas, se pueden reducir haciendo transformadores más eficientes, eliminando transformadores intermedios, compensando reactiva, equilibrando las cargas en las fases, reconfigurando las redes de media, desplazando consumos mediante tarifas reducidas, adecuando la potencia nominal de los transformadores a las puntas de demanda de su mercado, etc...

Según un estudio realizado en 2002, las compañías industriales consumen la mitad de electricidad en Europa, y ellos suponen que estén instaladas entre 100.000 y 150.000 unidades, totalizando entre 100 – 1500 GVA. Las pérdidas totales se estimaban en 10 TWh/a.

El citado estudio, realizado en Holanda obtuvo los siguientes resultados:

El tamaño típico de los transformadores industriales es de 1000- 4000 kVA, contrario a los transformadores públicos cuyo rango es de 50 – 1000 kVA.

La carga promedio de un transformador industrial es relativamente alta (30 – 100 % de la carga nominal)

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Los transformadores más nuevos en la industria son a menudo de tipo seco en vez de sumergidos en aceite. Las pérdidas en estos transformadores de tipo seco son relativamente altas.

Ocurren también altos niveles de contaminación de armónicos de corriente de carga (esto causa perdida extra y un alto riesgo de envejecimiento)

Transformadores de distribución de energía en la industria

Aunque grandes industrias y edificios de oficinas obtienen su electricidad de las redes de medio y alto voltaje, la mayoría de la electricidad usada por las industrias se consume a nivel de bajo voltaje – la conversión a nivel de bajo voltaje se lleva a cabo en transformadores de distribución privados. A menudo los transformadores colocados en oficinas comerciales e industriales son transformadores similares a los transformadores de distribución en el sistema público de distribución. Las pérdidas de los transformadores de distribución en la industria se estiman en un 1-2% del consumo de electricidad final total en Europa. Ya que estas pérdidas ocurren de forma privada en las redes de distribución, no aparecen en las estadísticas de las pérdidas de red.

PERDIDAS DE TRANSFORMADORES

Un transformador no es más que una maquina eléctrica que convierte cierta tensión que ingresa al transformador ya se aumentándola o disminuyéndola a la salida pero estas máquinas eléctricas no son ideales es decir tienen pérdidas de potencia y eficiencia debido algunos factores que se mencionara a continuación.

Las pérdidas en un transformador

Ninguna maquina eléctrica es ideal, es decir siempre tienen algún tipo de perdida al realizar un trabajo, siendo estas estáticas o dinámicas

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En el caso del transformador estas pérdidas son estáticas

En un trasformador se producen perdidas esencialmente por las siguientes causas:

por ciclos de histéresis por corrientes parasitas (corrientes de Foucault) (Estas dos llamadas también perdidas en el hierro) pedidas en el cobre del bobinado

Perdidas en el hierro

Como se mencionó anteriormente de forma breve las perdidas en el hierro son las perdidas por histéresis y por corrientes parasitas

Las corrientes parasitas se producen en cualquier material conductor cuando se encuentran sometidos a una variación de flujo magnético, como los núcleos de los transformadores están hechos de materiales magnéticos y estos materiales son buenos conductores se genera una fuerza electromotriz inducida que origina corrientes que circulan en el mismo sentido dando lugar a el denominado efecto Joule

Las pérdidas por corrientes parasitas dependerán del material con el que está construido el núcleo magnético del transformador

Para reducir en parte estas pérdidas de potencia es necesario que el núcleo del transformador que está bajo un flujo variable no sea macizo, es decir el núcleo deberá estar construido con chapas magnéticas de espesores muy delgados, colocadas una enzima de otra y aisladas entre si

Al colocar las chapas magnéticas lo que conseguimos es que la corriente eléctrica no pueda circular de una chapa a otra y se mantenga independientemente en cada una de ellas con lo que se induce menos corriente y disminuye la potencia perdida por corrientes parasitas o corrientes de Foucault

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En la imagen podemos observar primero un flujo en un núcleo macizo y por consiguiente una gran cantidad de pérdidas de energía que derivaran en pérdidas inevitables de potenciaEn cambio en la siguiente imagen podemos observar la función de las chapas en el núcleo reduciendo las corrientes inducidas y por lo tanto menos perdidas de potencia

En la siguiente tabla (tabla 1) se expresa las características de construcción los valores magnéticos para determinar las pérdidas de potencia en el hierro en función del espesor, la aleación y la inducción

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Para realizar un cálculo numérico de las perdidas en el hierro por las corrientes parasitas recurrimos a la siguiente formula:

La histéresis magnética es el fenómeno que se produce cuando la imantación de los materiales ferro magnéticos no solo depende del flujo magnético, sino de los estados magnéticos anteriores.En el caso de los transformadores al someter un material magnético a un flujo variable se produce una imantación que se mantiene al cesar el flujo variable, lo que provoca una pérdida de energíaEn la imagen 2 podemos ver de una forma más clara lo que se trata de explicar

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De igual forma que en las corrientes parasitas el ciclo de histéresis dependerá esencialmente del tipo de materialPara calcular numéricamente las perdidas por histéresis podemos usar la siguiente igualdad

Y por lo tanto se puede concluir que las pérdidas en el hierro son la suma de las perdidas por ciclos de histéresis y las pérdidas por corrientes parasitas.

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Perdidas en el cobre

Es la suma de las potencias pérdidas en los bobinados de un transformador. Se deben a la disipación de calor que se producen en los devanados. El valor de esta potencia depende del cuadrado de las intensidades de corriente de carga y a la resistencia de los bobinados, la cual varía mucho desde el funcionamiento en vacío a plena carga.Estas pérdidas las podemos calcular numéricamente atreves de la siguiente fórmula:

MEDIDAS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA EN EL USO DE TRANSFORMADORES

Las principales medidas a tomar para aumentar la eficiencia energética en el uso de transformadores son las siguientes:

Sustituir los transformadores antiguos por otros nuevos. Desconectar los transformadores que estén en vacío. Acoplar correctamente los transformadores en paralelo: al conectar

a la red los primarios de dos transformadores y a continuación sus secundarios en paralelo pueden producirse circulaciones internas de corriente entre los dos transformadores y desequilibrios en el reparto de las cargas entre ambos. Estas circulaciones internas de

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corriente provocan consumos de energía evitables y dan lugar a calentamientos y envejecimiento prematuro de los componentes de los transformadores. Las causas más importantes de esta situación son: -Desigualdad de impedancias de cortocircuito. - Desigualdad de relaciones de transformación.

Recomendaciones en transformadores

• Conocer la carga asociada al transformador para no sobrecargarlo, y así reducir las cargas en el Cobre.

• Evitar operar con transformadores a baja carga (menor al 20%), si es posible redistribuir las cargas.

• Revisar el nivel y la rigidez dieléctrica del aceite cada 6 meses, con el fin de controlar la capacidad aislante y refrigerante del mismo.

• Realizar una limpieza periódica del transformador es decir superficie del tanque, aletas disipadoras de calor, bornes, etc.

• Medir con frecuencia la temperatura superficial del transformador, ella no debe ser superior a 55ºC, de ser así debe revisarse el aceite dieléctrico.

Fuente de informacion:

-http://energiaingenieros.com/files/prote_sist/4%20transformadores.pdf

-http://todoproductividad.blogspot.pe/2011/01/eficiencia-energetica-en.html

-http://www.monografias.com/trabajos82/perdidas-transformador-monofasico/perdidas-transformador-monofasico.shtml

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