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Dpto. de Ingeniería Eléctrica – Universidad Politécnica de Cartagena – ([email protected])

Titulación. Ingeniero Organización Industrial Asignatura. Tecnología Eléctrica

Rev. 1.0 (Enero-2012)

Universidad Politécnica de Cartagena DPTO. DE INGENIERÍA ELÉCTRICA – FRANCISCO JAVIER CÁNOVAS RODRÍGUEZ

Tema III. Transformadores

3.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TRANSFORMADOR 2 3.2. FINALIDAD Y UTILIZACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES. 3 3.3.TIPOS Y CONSTITUCIÓN 4 3.4. POTENCIA NOMINAL DE UN TRANSFORMADOR 6 3.5. CORRIENTE DE VACÍO EN EL TRANSFORMADOR 6 3.6. ANÁLISIS DEL TRANSFORMADOR REAL 7 3.7. TRANSFORMADOR REAL EN CARGA 8 3.8. ESQUEMA EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR: RESISTENCIA Y REACTANCIA DE CC. 8 3.9. ENSAYO DE CORTOCIRCUITO. TENSIÓN DE CORTOCIRCUITO 11 3.10. PÉRDIDAS Y RENDIMIENTOS DE UN TRANSFORMADOR 15 3.11. TRANSFORMADORES EN PARALELO 16 3.12. AUTOTRANSFORMADOR 17 3.13. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO: INTRODUCCIÓN 18 3.14. BANCO TRIFÁSICO A BASE DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS 18 3.15. TRANSFORMADOR DE TRES COLUMNAS (UN SOLO NÚCLEO) 18 3.16. FUNCIONAMIENTO EN RÉGIMEN EQUILIBRADO ENSAYOS Y ESQUEMA EQUIVALENTE 20 3.17. CONEXIONES EN LOS TRANSFORMADORES. 22 3.18. CATÁLOGO DE TRANSFORMADORES 24 3.19. BIBLIOGRAFÍA 25

mailto:[email protected]



Transformadores


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3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TRANSFORMADOR

R1=0

Fuente: “Fundamentos de Electrotecnia para Ingenieros: Máquinas Eléctricas”, Marcombo

Ley de Faraday ⇒ dtdNe φ·1 −=

SBNfE m····' 11 444=

u1 e1

i0 ϕ

e2


SBNfE m····' 22 444= ¿R1≠0?

Relación de transformación nominal, con respecto a tensiones

2

1

2

1

,2

min,11 N

NEE

UU

rvacío

alnotn =≅=

Tema III. Transformadores.




Transformadores


3

Sistema a una determinada tensión

Sistema a una tensión diferente

Sistema a una determinada tensión

3.1. Principio de funcionamiento del transformador (II). Con respecto a las Intensidades. Si se considera el trafo real

SnT rendimiento 10÷1000 kVA 96÷99% 10.000÷100.000 kVA 99÷99’7%

1

2

2

1

NN

titi

=)()(

3.2. FINALIDAD Y UTILIZACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES. -Finalidad.

Transmitir energía -Utilidades

Fuente: “Transformadores de Potencia, de medida y de protección”, Marcombo




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-Según la función. -Sistema de tensiones. -Según aumenten o reduzcan la tensión. -Según el refrigerante. -Según la refrigeración.

a) Circuito eléctrico. b) Circuito magnético. c) Refrigeración.

3.3. TIPOS Y CONSTITUCIÓN.

Tipos Principales símbolos


Constitución

a) Circuito eléctrico. Posibles disposiciones de las bobinas.


(a) (b) (c) (e) (f)

(d)

6000 V 10 kVA

50 Hz

220 V

6000 V 10 kVA

50 Hz

220 V

6000 V 10 kVA

50 Hz

220 V

6000 V 10 kVA

50 Hz

220 V

10000 V 500 kVA

50 Hz

380 V

10000 V 500 kVA

50 Hz

380 -220V




Transformadores


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3.3. Tipos y Constitución (II).

b) Circuito magnético. Núcleo con chapas ferromagnéticas.

tipo de chapa Pérdidas por histéresis y corrientes parásitas (W/kg)

chapa normal 0’8÷1’3 (50Hz,1 T)

grano orientado 0’4÷0’5 (50Hz,1 T.) 1÷1’2 (50Hz,1’5T.)

-Aislamiento (papel, barniz y carlite) -Factor de relleno o de aprovechamiento

(0’88 del papel 0’95÷0’97 del carlite)

c) Refrigeración Refrigerante -Tipos de refrigeración.


Ha repercutido en




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3.4. POTENCIA NOMINAL DE UN TRANSFORMADOR. 3.5. CORRIENTE DE VACÍO EN EL TRANSFORMADOR.


Supondremos io senoidal, su diagrama fasorial, será.


Por lo tanto, la “Potencia Activa”, llamada también pérdidas en el núcleo ferromagnético.

Trafo modernos trafo antiguos Io 0’6÷8%·I1n 4÷14%·I1n IFe 1÷15%·Io 5÷14%·Io

SnT kVA / MVA

P=U1·Io·cosϕo = U1·IFe

Iµ≅Io




Transformadores


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3.6. ANÁLISIS DEL TRANSFORMADOR REAL. Caso A.- Consideración de la resistencia en el primario.


Caso B.- Consideración del flujo de dispersión.




U1

E1

I0

Iµ

IFe

R1 I0

jXd1 I0

Φ




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3.6. ANÁLISIS DEL TRANSFORMADOR REAL EN VACÍO (II).

Caso C.- Ensayo de vacío.


3.7. TRANSFORMADOR REAL EN CARGA.


3.8. ESQUEMA EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR:

RESISTENCIA Y REACTANCIA DE CORTOCIRCUITO.

A.- Reducción de los valores de un transformador del secundario al primario.

R1 U1

I1

Xd1

Xd2 R2

I2

U2 N1 E1 E2

N2

I0 I´2 Φ

S

Zc

Io

E2 E1

PFe(=U1·I0·cos ϕ0)




Transformadores


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3.8.ESQUEMA EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR: RESISTENCIA Y REACTANCIA DE CORTOCIRCUITO (II).

B.- Esquema equivalente.


R1

U1

I1

Xd1

X´d2 R´2

I´2 U´2

B

A

b

a

N1 E1 E´2 = E1

N´2 | | N1

R1

U1

I1

Xd1

Xd2 R2

I2 U2

N1 E1

E2 N2

R1

U1

I1

Xd1

X´d2 R´2

I´2 U´2

B

A

b

a

E1 = E´2

(a)

R1

U1

I1

Xd1

X´d2 R´2

I´2 U´2

E1 = E´2

I1 – I´2 = I0

(b)




Transformadores


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3.8.ESQUEMA EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR: RESISTENCIA Y REACTANCIA DE CORTOCIRCUITO (II).


R1

U1

I1

Xd1

X´d2 R´2

I´2 U´2

E1 = E´2

I0

Iµ Xµ

RFe IFe

R1

U1

I1

Xd1

X´d2 R´2

I´2

U´2 E1 = E´2 I1 – I´2 = I0

(c)




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11

3.8.ESQUEMA EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR: RESISTENCIA Y REACTANCIA DE CORTOCIRCUITO (III).

C.- Esquema equivalente simplificado. Resistencia y reactancia de cortocircuito de un transformador.


3.9. ENSAYO DE CORTOCIRCUITO. TENSIÓN DE CORTOCIRCUITO.


R1

U1

I1

Xd1

X´d2 R´2

I´2 U´2

Rcc

Ucc F

I1n ≈ I’2n

εXcc Ucc = I1n Zcc

φcc

UXcc = jXcc I1n

I1n ≈ I’2n

URcc = Rcc I1n

εRcc

εcc




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3.9. ENSAYO DE CORTOCIRCUITO. TENSIÓN DE CORTOCIRCUITO (II).

RECOMENDACIÓN DE UNESA hasta 630 kVA y hasta 24 kV 4% desde 630 kVA y 36 kV 4’5% de 800 hasta 2.500 kVA y hasta 36 kV 6%

a) Corrientes de Cortocircuito.


¿Qué distingue el ensayo y el accidente de cc?

Tensión aplicada Corriente correspondiente




Transformadores


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3.9. ENSAYO DE CORTOCIRCUITO. TENSIÓN DE CORTOCIRCUITO (III).

b) Caídas de tensión en el trafo.


100·sen..cos..

1

11

1 VIXIR

VV cccc ϕϕ

ε+

=∆

=

ϕϕε ·sen·cos XccRcc uu +=

∆V=V1-V’2=AB+BC

RccU XccU

UXcc=Xcc·I1

U1

I1

Z’c∟φ

URcc=Rcc·I1

Xcc Rcc

U’2




Transformadores


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3.9. ENSAYO DE CORTOCIRCUITO. TENSIÓN DE CORTOCIRCUITO (IV).

¿Afecta la carga conectada al trafo en su valor de ε?

Fuente: “Electrotecnia”, Paraninfo.

SnT (kVA) Placa de característica 16 Tensión a plena carga y cos ϕ=1

>16 ucc(%)




Transformadores


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3.10. PÉRDIDAS Y RENDIMIENTOS DE UN TRANSFORMADOR.

¿Qué pérdidas consideraremos?

CuFe2

2

1

2

entrada

salida

PPPP

PP

PP

++===η

Recordar

cc2

o2N22

2N22

cc2

o2

2c P·cP·cosI·c·U

·cosI·c·UP·cPP

P++ϕ

ϕ=

++=η

Conclusiones


η=f( c ) c = Índice de carga

a) PFe≈K (PFe =Po )

b) PCu =f (I2) ccnccCu PccIRP ... 222'2 ==

Obtendremos ηc

a) c = cte b) cos ϕ2 = cte

¿ηcmax?

Cu

o

PP

c =




Transformadores


16

3.11. TRANSFORMADORES EN PARALELO.

Condiciones básicas -Igualdad de tensiones nominales.

-Idéntica relación de transformación.

-Igualdad de tensiones de cortocircuito.

2,21,1 ·· cccc ZIZI =

100··

·100··

·1

22,

2

2

1

11,

1

1

n

ncc

nn

ncc

n UIZ

II

UIZ

II

=

2,21,1 ·· cccc cc εε =

2,

1,

2

1

cc

cc

cc

εε

=


Zcc,1

U1

I1

Zcc,2

I2

Zcarga




Transformadores


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3.12. AUTOTRANSFORMADOR.


Ventajas Inconvenientes Símbolos según la CEI:


a

a´ (a)

N2 N2

NP = N1-N2

A A”

A’

U2 N1 U1

a´ (b)

N2

NP

A a

A’

U2 N1

U1

a) sección ↓

b) Se elimina un devanado

c) Io ↓

b.1) Circuito magnético ↓ b.2) Flujo de dispersión ↓

a) ¿_____? b) No hay aislamiento eléctrico –U2≥0’75·U1- c) Dificultad para trabajar en paralelo




Transformadores


18

3.13. TRANSFORMADOR TRIFÁSICO: INTRODUCCIÓN.

Dos tipos constructivos 3.14. BANCO TRIFÁSICO A BASE DE TRANSFORMADORES

MONOFÁSICOS.


3.15. TRANSFORMADOR DE 3 COLUMNAS (UN SOLO NÚCLEO).


Trafo monofásicos

Un solo núcleo

Conexiones Estrella

Triángulo Relaciones de

transformación




Transformadores


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3.15.TRANSFORMADOR DE 3 COLUMNAS (UN SOLO NÚCLEO) (II).

-Constitución del núcleo trifásico.

Fuente: “Máquinas Eléctricas”, Fraile, J.


Trafo de 3 columnas Banco de trafo monofásico

Ventajas e inconvenientes




Transformadores


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3.16. FUNCIONAMIENTO EN RÉGIMEN EQUILIBRADO. ENSAYOS Y ESQUEMA EQUIVALENTE.


Se puede tener en cuenta la conexión del transformador o no

Ensayo de vacío.


Se trabaja con tensiones simples




Transformadores


21


Ensayo de cortocircuito.


Esquema equivalente.




Transformadores


22

3.17. CONEXIONES EN LOS TRANSFORMADORES. TRIFÁSICOS. -Desfases

-Designaciones de polos y bornes


-Índice de desfase (índice horario).


-Símbolos de conexiones (CEI 76 transformadores de potencia).

-Aplicaciones de cada tipo de conexión.

Placa de bornas de un trafo trifásico

(UNESA 5201 B 3.5)




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23

3.17. CONEXIONES EN LOS TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS (II).

-Diferentes tipos de conexiones.





Transformadores


24

3.18. CATÁLOGO DE TRANSFORMADORES.

Fuente: Schneider Electric, SA




Transformadores


25

Bibliografía F.A. Ruz, F.J. Cánovas y J.M. Molina,, FUNDAMENTOS DE ELECTROTECNIA PARA INGENIEROS: MÁQUINAS ELÉCTRICAS, Marcombo SA Capítulo 15 y 16. Transformador monofásico y trifásico Jesús Fraile Mora, MÁQUINAS ELÉCTRICAS (6ª edición), ISBN: 978-84-481-6112-5 Capítulo 3. Transformadores. Página 181. Con el fin, de que los aspectos teóricos de tema queden más claro,

querría destacar los siguientes apartados de este capítulo, el: -3.3. Principio de funcionamiento de un trafo ideal (pág. 193). -3.4 y 3.5, sigue profundizando en su funcionamiento y circuito

equivalente. -3.6. Ensayos (pág. 207). Entra en detalle en la teoría que nos

define los ensayos de vacío y cortocircuito. -3.7. Caída de tensión en un trafo (pág. 218), y por último, -3.8. Pérdidas y rendimiento de un transformador (pág. 224). Cabe destacar alguno de los ejemplos de aplicación que se anexa a

cada uno de los apartados teóricos, para aclarar estos contenidos. En el apartado 3.13, se definen que son los autotransformadores. Al final de dicho capítulo, hay una serie de enunciado de

problemas, con solución que puede ayudar a seguir el tema. Recuerdo que nosotros tratamos en este tema los transformadores monofásicos.

José García Trasancos, ELECTROTECNIA (6ª edición), ISBN: 84-283-2284-8 Capítulo 6. Transformadores. Página 141. Para darte una visión muy rápida del tema de transformadores, leería hasta la página 154, están resueltos algunos de los problemas del listado. Enrique Ras, TRANSFORMADORES DE POTENCIA, DE MEDIDA Y DE PROTECCIÓN, ISBN: 84-267-0690-8. Este libro es ideal para profundizar en los transformadores, pero tal vez, se llegue a un nivel en muchos aspectos que no es requerido a lo largo de este curso. Enríquez Harper, Curso de TRANSFORMADORES Y MOTORES DE INDUCCIÓN, Limusa Noriega Editores




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