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Mayo 2005

DISEÑO DE

TRANSFORMADORESENERGY

ENERGY / Q BERNARDO GOMEZ



Nov - 2008 ENERGYB.Gómez / ENERGY -Q

GENERALIDADES

El transformador es una maquina estática la cual mediante inducción

electromagnética transforma tensiones y corrientes eléctricas alternas o

pulsantes entre dos o más devanados a la misma frecuencia yusualmente a valores diferentes de tensión y corriente.

La identificación básica de un transformador esta constituida por su

potencia nominal, la tensión primaria que es la que se aplica altransformador, la tensión secundaria que es la obtenida en los bornes de

salida y el grupo de conexión.




CIRCUITO MAGNETICO

El núcleo de los transformadores esta formado por láminas delgadas de

acero magnético al silicio de grano orientado laminado en frío con

aislamiento inorgánico (Karlite) en ambas caras, tipo M4, M1H entreotros.




NUCLEO

La función del núcleo es guiar el

flujo magnético creado por lascorrientes que circulan en los

devanados.

Permite el acople magnético

entre los devanados primario y

secundario




TEORIA BASICA

AEF B f

V N

⋅⋅⋅⋅

=44.4

1022

8

La ecuación fundamental del transformador de acuerdo a la ley de

inducción de Faraday

N2: Número de espiras de baja tensión

V2: Voltaje de naja tensiónf: Frecuencia de la red.

B: Densidad de flujo en teslas. (entre 1.6 y 1.78 T)




SLECCION NUCLEO

KVAk Sn =

1F

S AGE n=

Donde :

Sn: es la sección geométrica del núcleo en cm2

k: es una constante que varia entre 10 y 16

KVA : es la potencia del transformador.

Sn es divido por un factor de apilamiento (F1) para obtener el valor delárea neta (AGE)




APILADO DEL NUCLEOEn el apilado normal las

láminas son colocadas por

parejas.

Este proceso origina una

gran concentración del flujo

magnético en los espacios de

aire, aumentando las pérdidas.

En el apilado tipo step-lap ladistribución del flujo magnético

es más suave en los espacios

de aire, porque estos se

encuentran desplazados. Esteproceso disminuye las

pérdidas y el nivel de ruido.




DIFERENTES APILADOS ( NORMAL STEP-LAP)




NUCLEO STEP LAP




DISEÑO DEVANADOS

La función principal es de acople electromagnético de dos circuitos, hacen

posible la transformación de tensiones y corrientes de un circuito a otro.

Para su dimensionamiento se tiene en cuenta:

Corriente del devanado

Tensión de operación

Aplicación

Clase de aislamiento

Esfuerzos de cortocircuito




DISEÑO DEVANADOS

Intensidad de corriente:

La intensidad de la corrientedetermina el número de

conductores que se requerirán en

paralelo.

Para corrientes altas se usara un

mayor numero de conductores enparalelo y para corrientes bajas

puede requerirse solo un

conductor.

Ejemplo1:

En 13.8 KV para 837 A se

requieren varios conductores en

paralelo se selecciona:Capa corrida

Helicoidal

Ejemplo2:

En AT para 100 A seselecciona:

Disco continuo




DISEÑO DEVANADOS

Perdidas en cobre garantizadas:

Las perdidas en cobre se

encuentran determinadas por la

densidad de corriente, la cual en

algunas ejecuciones se puede

llevar a valores mas bajos.

Función de la bobina:

Una bobina puede proporcionar untensión única o variada, haciendo

uso de derivaciones.

En tensiones bajas con las

ejecuciones helicoidales se

pueden lograr menores valores de

pérdidas.

En tensiones altas la ejecución de

disco continuo con Drill puede

lograr perdidas muy bajas.

Para bobinas de derivación en

cambiadores bajo carga, la

ejecución multipaso es la mas

usada.

En transformadores con

cambiador sin carga las

derivaciones van en la misma

bobina principal, en este caso el

disco continuo es el mas usado.




TIPOS DE DEVANADOSTIPOS DE DEVANADOSDe acuerdo al nivel de tension e intensidad de la corriente a circular

por el devanado se selecciona la ejecucion o tipo constructivo de

bobina. Basicamente se tienen:

Capa corrida: Hasta 13.8 KV y 2000 A. Hasta dos conductores

radiales devanados continuamente sin distanciadores entre disco y

disco. Puede tener hasta 7 conductores axiales en paralelo.

Helicoidal: Hasta 46 KV y 4000 A. Se envuelven hasta 44conductores en paralelo, 22 radiales y dos axiales. Se colocan

distanciadores entre disco y disco.

Disco: Hasta 230 KV y 1000 A. Hasta 4 conductores radiales en

paralelo y dos axiales. Se colocan distanciadores entre disco y disco.

Capa de Derivaciones: Utilizado para sacar derivaciones, mediante

las cuales se puede variar un voltaje ya sea en el primario o en el

secundario.




TIPOS DE DEVANADOS




PARAMETROS DEVANADOS

SepMedioSep DisT E H +−+= )4cos(#2

))(*cos#

2(2

)(

AislCond ctor Anchocondu Dis

N X

AisCond or Espconduct A

+=+=

H2E: Altura devanado

X2: Espesor radial devanado




IMPEDANCIA

50

211

30

2110/

)10/(2

21000

10/22 f

hmed

X X med X X med

hmed N

V

LM I N K Ux ⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅

++−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ ++

⋅⋅

⋅⋅⋅=

π

δ δ

π δ

2

21 E H E H hmed

+=




IMPEDANCIA




IMPEDANCIAFactores determinantes a la hora de elegir la impedancia:

Cuando un transformador no va a operar en paralelo con otros se deben

tener en cuenta los siguientes aspectos:

Disminución de fuerzas de cortoAumento de Fuerzas de cortocircuito

Altos flujos de dispersión que

incrementan las pérdidas

Incremento de las capacidades de

cortocircuito

Regulación pobreMejor regulación

Reduce las corrientes de fallaAumento de las corrientes de fallas

ALTAS IMPEDANCIASBAJAS IMPEDANCIAS




CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO

Cálculo de Corriente Simétrica RMS de

Cortocircuito

k

Cálculo de Corriente Asimétrica

Pico de Cortocircuito

( ) Isck asimétrico pk Isc *=−

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

2,00

2,20

2,402,60

2,80

3,00

1,0 10,0 100,0

Ca te goría Corriente

I

II, III, IV

t Z

Ir Isc =

st Z Z

Ir Isc+

=

2sen1 2

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡+=

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ +−

ϕ

π ϕ

X

R

ek

X / R

Categoría Trifásicos (kVA)

I 15 a 500II 501 a 5000

III 5001 a 30000

IV > 30000




CORTOCIRCUITO

La capacidad para soportar cortocircuito es una Característica esencial en el

diseño de Transformadores

En caso de no cumplir los requisitos para soportar el ensayo de cortocircuito a lapotencia requerida, deben ser adicionadas impedancias internas o externas

limitadoras de corriente, (p.e. Anillos y devanados de compensación) .

Todos los transformadores Siemens son diseñados para soportar el esfuerzo

mecánico, eléctrico y térmico resultante del ensayo de cortocircuitoLos accesorios, pasatapas, conmutadores y transformadores de corriente deben

cumplir con esta característica.

Los cortocircuitos externos contemplados para el diseño deberán incluir fallas de

tipo:

Trifásico / Bifásico / Monofásico a tierra

Fase - Fase




( )( )

( ) ( )[ ]T t

esint sin L R

U t i

−

−−+++

= ϕ ψ ϕ ψ ω ω

22

I[A]

0.0 0.1 0.2 0.3

ϕ - Angulo de fase de la impedancia total

ψ - Angulo de suicheo

Tiempo [ seg ]

rmssteady I I ×= 2ˆ

rms peak I k I ××= 2ˆ

Forma de Onda de la corriente de Cortocircuito




Esfuerzos Axiales de Cortocircuito

l B I F ××=rrr

Fuerza Axial

Corriente

Densidad de

FlujoRadial




Designación AntiguaOA

FAOA/FA/FAOA/FA/FOAOA/FOA*

OA/FOA*/FOA*FOAFOWFOA*FOW*

CLASES DE ENFRIAMIENTO

Designación ActualONAN (Oil Natural.Air Nautural)

ONAF(Oil Natural.Air Forced)

ONAN/ONAF/ONAFONAN/ONAF/OFAFONAN/ODAF(Oil Natural Air Nautural)

ONAN/ODAF/ODAFOFAF (Oil Forced Air Forced)

OFWF(Oil Forced Waterd Forced)

ODAF (Oil Directed Air Forced)

ODWF(Oil Directed Water Forced)




POTENCIAS ONAN/ONAF1/ONAF2

Para potencias ONAN a ONAF 1 se incrementa un 33% la potencia

Para potencias ONAF1 a ONAF2 se incrementa un 25% la potencia




PERDIDAS EN LOS DEVANADOS

)(.

Ω= A

l R media ρ

510*9.83 −⋅⋅⋅⋅= media L A N P

( )2 jPk Pcu ⋅⋅=

R: Resistencia en CC del baja tensión en Ohmios (Ω)

ρ: Resistividad del conductor empleado (Ω-mm2

N: número de espiras

A: área del conductor en mm2

Lmedia Longitud media del devanado

Pcu: Pérdidas devanado

K: constante de 2.4 a 3

J Densidad de corriente




CALCULO DE AISLAMIENTOS

Aislamiento en madera: Se usacomo soporte mecánico de las

bobinas contra las prensas y

núcleo.

Aislamiento en presspan: Se

utiliza como distanciador en

devanados y como barrera entredevanados, devanados yugos y a

tierra.

Aislamiento en papel: Se utiliza

para recubrir los conductores de

las bobinas y conexiones.




AISLAMIENTOS

E : Voltaje

ε : Permitividad del medio,

• 2.2 para aceite

• 4 para el pressboard

d:Espesor de los diferentes

medios




PRINCIPALES DISTANCIAS




CALCULO DEL HOT – SPOT IEEE





Parte más

alta deldevanado

Parte más

baja del

devanadoTemperatura ºC

40 ºC

Temp. del

aceite

nivel bajo

Temp. del

aceite

promedio

Temp. del

aceite

nivel alto

Temp. promedio

del devanado.

Temp. Punto

caliente.

Rise devanado

Rise aceite

Top Oil.

Gradiente Temp.

devanado - aceite.




TERCIARIO EN TRANSFORMADORES

Propósito del terciario en transformadores Y- Y

1. Permitir un camino para la circulación de las corrientes de terceros

armónicos y durante el desbalance de cargas balancear las tensiones.2. En transformadores YY sin aterrizar en ambos lados, los armónicos de las

corrientes capacitivas a tierra distorsionan las tensiones al no tener caminos

para llevarlas a tierra.

3. Cuando Los neutros están aterrizados pueden haber distorsiones en las

telecomunicaciones a causa de los terceros armónicos que fluyen por elneutro problema común en transformadores antiguos con Io > al 5%, no

apreciable en los núcleos actuales

4. Transformadores con construcción en 3 piernas el omitir el devanado de

estabilización puede no ser crítico, esto depende de las condiciones de falla

del sistema y de la posibilidad de formar circuitos resonantes con lascorrientes de terceros armónicos

5. Transformadores YY con carga monofásica en una sola de las fases el

balance de los amperios-vuelta es puramente magnético y puede llevar al

transformador a saturación o a excesivos calentamientos en el tanque y

deforma las formas de onda de tensión y desplaza el neutro





Terciarios Cargables

1. El objetivo es proporcionar un devanado adicional con salida de tensión

diferente a la de BT para suministrar carga e interconectar sistemas

eléctricos independientes.

2. La carga del devanado de BT y Terciario simultánea no debe superar la

potencia nominal del devanado de AT.

3. La selección de impedancias debe ser tal que se aproxime “ la suma lineal

a la misma base de potencias” para lograr la mejor distribución de losdevanados y la distribución de esfuerzos de cortocircuito sea las mas

adecuada.




RUIDO EN TRANSFORMADORES

1. El ruido es originado principalmente por bombas, ventiladores y nucleo del

transformador, la carga del transformador.

2. Ruido del Núcleo: es originado por los pequeños cambios de dirección n los

dominios magnéticos de las láminas de acero al silicio esto es llamado

magnetostricción. Estos cambios son del doble de la frecuencia de

operación del TX

3. La densidad de flujo, la geometría y el diseño del núcleo y al forma de ondade la señal afectan el ruido del transformador.

4. Ruido en la carga es originado por la vibración en el tanque, y por los flujos

de dispersión producidos por las corrientes de carga

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