Ensayo de transformadores

4

4.1 Transformador en vacoComo hemos visto anteriormente, el transformador est basado en que la energa se puede transportar eficazmente por induccin electromagntica desde una bobina a otra por medio de un flujo variable, con un mismo circuito magntico y a la misma frecuencia. La potencia nominal o aparente de un transformador es la potencia mxima que puede proporcionar sin que se produzca un calentamiento en rgimen de trabajo. Debido a las prdidas que se producen en los bobinados por el efecto Joule y en el hierro por histresis y por corrientes de Foucault, el transformador deber soportar todas las prdidas ms la potencia nominal para la que ha sido proyectado. Un transformador podr entonces trabajar permanentemente y en condiciones nominales de potencia, tensin, corriente y frecuencia, sin peligro de deterioro por sobrecalentamiento o de envejecimiento de conductores y aislantes.

En la prctica, en un transformador en vaco conectado a una red elctrica esto no es as. Las bobinas ofrecen una determinada resistencia al paso de la corriente elctrica, provocando una cada de tensin que se deber tener en cuenta en ambos bobinados (R1 y R2). Igualmente, el flujo magntico que se origina en el bobinado primario no se cierra en su totalidad con el secundario a travs del ncleo magntico, sino que una parte de este flujo atraviesa el aislante y se cierra a travs del aire. Ambas bobinas no se enlazan por el mismo flujo, la prdida de flujo magntico se traduce en la llamada inductancia de dispersin (Xd); por lo tanto, a la hora de analizar las prdidas del transformador se han de tener en cuenta estas particularidades (vase la Figura 4.2).

Io R1 U1 Xd1

I2 = 0 R2

N1 e1

N2 e2

U2

A. DefinicinSe puede considerar un transformador ideal aquel en el que no existe ningn tipo de prdida, ni magntica ni elctrica. La ausencia de prdidas supone la inexistencia de resistencia e inductancia en los bobinados.Fig. 4.2. Esquema del transformador real en vaco.

B. Prdidas en transformacinNinguna mquina trabaja sin producir prdidas de potencia, ya sea esttica o dinmica; ahora bien, las prdidas en las mquinas estticas son muy pequeas, como le sucede a los transformadores. En un transformador se producen las siguientes prdidas:

Io

U1

e1

N2

N2

e2

U2

Prdidas por corriente de Foucault (PF). Prdidas por histresis (PH). Prdidas en el cobre del bobinado (Pcu). Las prdidas por corriente de Foucault (PF) y por histresis (PH) son las llamadas prdidas en el hierro (PFe). Cuando un transformador est en vaco, la potencia que medimos en un transformador con el circuito abierto se compone de la potencia perdida en el circuito magntico y la perdida en el cobre de los bobinados. Al ser nula la intensidad en el secundario (I2 = 0), no aparece en l prdida de potencia; por otra parte, al ser muy pequea la intensidad del primario en vaco (I0) con res-

Fig. 4.1. Transformador ideal en vaco.

Como podemos observar en la Figura 4.1, en el transformador ideal no hay dispersin de flujo magntico, por lo que el flujo se cierra ntegramente sin ningn tipo de dificultad. Las tensiones cambian de valor sin producirse ninguna cada de tensin, puesto que no se producen resistencias en los bobinados primario y secundario.

65

pecto a la intensidad en carga I2n, las prdidas que se originan en el cobre del bobinado primario resultan prcticamente insignificantes. I1 U1 d1 I2 = 0 d2 U2 I Corriente inducida de valor elevado. Prdidas WF altas

Macizo

Chapas apiladas 1 2

Fig. 4.3. Flujo principal y de dispersin de un transformador en vaco.

C. Prdidas en el hierro (PFe)Las prdidas de potencia en el hierro (PFe) en un transformador en vaco se producen por las corrientes de Foucault (PF) y por el fenmeno de histresis (PH). Para reducir la prdida de energa, y la consiguiente prdida de potencia, es necesario que los ncleos que estn bajo un flujo variable no sean macizos; debern estar construidos con chapas magnticas de espesores mnimos, apiladas y aisladas entre s. La corriente elctrica, al no poder circular de unas chapas a otras, tiene que hacerlo independientemente en cada una de ellas, con lo que se induce menos corriente y disminuye la potencia perdida por corrientes de Foucault. En la Figura 4.4 podemos observar cmo circula la corriente por ambos ncleos magnticos. Las corrientes de Foucault se producen en cualquier material conductor cuando se encuentra sometido a una variacin del flujo magntico. Como los materiales magnticos son buenos conductores elctricos, en los ncleos magnticos de los transformadores se genera una fuerza electromotriz inducida que origina corriente de circulacin en los mismos, lo que da lugar a prdidas de energa por efecto Joule. Las prdidas por corrientes parsitas o de Foucault dependern del material del que est constituido el ncleo magntico.66

I1 I2 I3 I4 I5

Varias corrientes inducidas de valor reducido. Prdidas WF muy pequeas

Fig. 4.4. Ncleos magnticos.

la misma induccin y la misma frecuencia oscilan entre 0,8 y 1,4 W/kg. La Tabla 4.1 indica las caractersticas de construccin, los valores magnticos y la composicin qumica para la determinacin de las prdidas de potencia en el hierro en funcin del espesor, la aleacin y la induccin.

Espesor (mm) 0,5 0,5 0,35 0,35 0,35 0,35

Tolerancia 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10

Aleacin % SI 0,5 1 2,5 2,5 4 4,5 4,5

1 Tesla (104 Gauss) W/kg 2,9 2,3 1,7 1,3 1,2 0,9

1,5 Tesla 1,5 104 Gauss W/kg 7,40 5,6 4 3,25 3 2,1

Tabla 4.1. Caractersticas para la determinacin de las prdidas de potencia (W/kg).

Para el tipo de chapa magntica de una induccin de 1 Tesla o 10 000 Gauss, trabajando a una frecuencia de 50 Hz de laminado en fro de grano orientado, las prdidas en el ncleo se estiman entre 0,3 W/kg y 0,5 W/kg, mientras que las prdidas de la chapa de laminado en caliente para

Para el clculo de las prdidas en el hierro por las corrientes de Foucault recurriremos a la Frmula 4.1, que indica que las prdidas en el hierro son proporcionales al cuadrado de la induccin y al cuadrado de la frecuencia.

Frmula 4.1 PF = Donde: PF = prdidas por corrientes de Foucault en W/kg f = frecuencia en Hz max = induccin mxima en Gauss 2,2 f 2 max2 2 1011

La histresis magntica es el fenmeno que se produce cuando la imantacin de los materiales ferromagnticos no slo depende del valor del flujo, sino tambin de los estados magnticos anteriores. En el caso de los transformadores, al someter el material magntico a un flujo variable se produce una imantacin que se mantiene al cesar el flujo variable, lo que provoca una prdida de energa que se justifica en forma de calor.+ F

= espesor de la chapa magntica en mmDe la frmula anterior se deduce que el cambio de frecuencia de 50 a 60 Hz, por ejemplo, hace que aumenten las prdidas en el transformador.B H C A E

A Comienzo del ciclo de imanacin que, al aumentar la intensidad, llega a F+H

D Extremo del ciclo a mxima intensidad negativa CFEDC rea de histresis

C a s o prc t i c o 1Tenemos un transformador que trabaja a una frecuencia de 50 Hz, con una chapa magntica que tiene un espesor de 0,35 mm y una induccin magntica de 1 Tesla o 10 000 Gauss. Lo vamos a conectar a una red de 60 Hz de frecuencia. Cules sern las prdidas en el hierro conectado a la red de 50 Hz? Cules sern las prdidas en el hierro conectado a la red de 60 HZ? Si aplicamos la Frmula 4.1, para una frecuencia de 50 Hz sern: PF = = 2,2 f 2 max2 2 1011

AC = Hc Fuerza campo coercitivaD

AB = Br Magnetismo remanente

Fig. 4.5. Ciclo de histresis.

=

2,2 502 10 0002 1011 = 0,673 W/kg

=

La potencia perdida por histresis depende esencialmente del tipo de material; tambin puede depender de la frecuencia, pero como la frecuencia en una misma zona o pas siempre es la misma, la induccin magntica depender del tipo de chapa. A travs de la frmula de Steinmetz (Frmula 4.2) se determinarn las prdidas por histresis. El coeficiente de chapa oscila entre 0,0015 y 0,003, aunque baja hasta 0,007 en hierro de muy buena calidad. Frmula 4.2n PH = Kh f max

2,2 2 500 108 0,122 1011

Para una frecuencia de 60 Hz, ser: PF = = = 2,2 f 2 max2 2 1011 10 101111

= =

Donde: Kh = coeficiente de cada material F = frecuencia en Hz

2,2 602 10 0002 0,35

2,2 3 600 108 0,122

= 0,970 W/kg

max = induccin mxima en Tesla67

Esto indica que cuanto mayor sea la frecuencia, mayores sern las prdidas por corrientes de Foucault.

PH = prdida por histresis en W/kg = 1,6 para < 1 Tesla (104 Gauss) n = 2 para > 1 Tesla (104 Gauss)

+

C a s o prc t i c o 31 Hierro dulce 2 Acero templado 1 2

B H C' C A +H

1 rea de prdidas para hierro dulce 2 rea de prdidas para acero templado A igual magnetismo remanente (AB), el acero templado tiene mayor fuerza coercitiva (CA) que el hierro dulce (CA)

Tenemos un transformador conectado a una red de 50 Hz de frecuencia con una chapa magntica de 0,9 Tesla (9 000 Gauss) de induccin. El peso del ncleo del transformador es de 12 kg. El espesor de la chapa del ncleo es de 0,35 mm y el coeficiente de histresis es 0,002. Calcula la potencia perdida en el hierro. Comenzaremos calculando la potencia perdida por Foucault. PF = 2,2 f 2 2 e2 103 = 2,2 502 0,92 0,352 103 = 0,545 W/kg =

=Fig. 4.6. Ciclo de histresis de dos materiales diferentes.

2,2 2 500 0, 81 0,122 103

Las prdidas totales por Foucault sern:

C a s o prc t i c o 2Tenemos un transformador que trabaja a una frecuencia de 50 Hz, con una chapa magntica de una induccin de 1,2 Tesla (12 000 Gauss), conectado a una red de 50 Hz de frecuencia. El peso del ncleo del transformador es de 3 kg. Cules sern las prdidas por histresis del ncleo magntico? Si aplicamos la Frmula 4.2 de Steinmetz y el coeficiente de histresis tiene un valor de 0,002, la potencia perdida en el ncleo por histresis ser:n PH = Kh f max = 0,002 50 1,22 = 0,144 W/kg

PFT = PF peso del ncleo = = 0,545 12 = 6,54 W Las prdidas por histresis sern: PH = Kh f n = 0,002 50 0,91,6 = = 0,002 50 0,844866 = 0,0844 W/kg Las prdidas totales por histresis sern: PHT = PH peso del hierro = 0,084 12 = 1,01 W Para las prdidas totales en el ncleo magntico, recurriremos a la Frmula 4.3: PFe = PF + PH = 6,54 + 1,01 = 7,55 W

Por lo tanto, la prdida por histresis del ncleo ser: PHT = PH peso del hierro = 0,144 3 = 0,432 W

Las prdidas de potencia en el hierro (PFe) o en el ncleo magntico son la suma correspondiente a las prdidas por Foucault (PF) y por histresis (PH), como indica la siguiente frmula:68

No obstante, las prdidas en el hierro se pueden determinar midiendo la potencia consumida por el transformador en vaco mediante vatmetro, como podremos comprobar en el ensayo correspondiente, que recibe el nombre de ensayo en vaco.

Frmula 4.3 PF + PH = PFe

4.2 Ensayo en vacoEl ensayo en vaco proporciona, a travs de las medidas de tensin, intensidad y potencia en el bobinado primario, los

valores directos de la potencia perdida en el hierro, y deja abierto el bobinado secundario. Por lo tanto, este bobinado no ser recorrido por ninguna intensidad, y no se tendrn en cuenta los nfimos valores de las prdidas en el cobre para este ensayo. Los principales datos que hay que determinar en el ensayo en vaco son: Las prdidas en el hierro a travs de la lectura del vatmetro (W1) en el bobinado primario, entendiendo que la P10 es la potencia medida en el vatmetro (W1). (PFe = P10) La intensidad en vaco del primario a travs del ampermetro (A1). La relacin de transformacin (m): m= U1n U20

C a s o prc t i c o 4Calcula la potencia aparente y el factor de potencia en vaco de un transformador partiendo de los siguientes datos:Tensin del primario Intensidad del primario Tensin del secundario Potencia medida con vatmetro Resistencia del cobre U1n I10 U2n P10 Rcu 380 V 0,081 A 125 V 2,2 W 2,4

Con los resultados obtenidos podemos calcular: La relacin de transformacin (m). La potencia activa en vaco (P10). La impedancia (Z). La potencia aparente (Ssap).

Tambin podemos calcular, con la ayuda de los resultados: La impedancia (Z): Z= U1n I10

El ngulo de desfase entre la tensin y la intensidad de corriente. En el ensayo en vaco, al estar abierto el bobinado secundario, no circula ninguna intensidad por ste, lo que permite que las tensiones primarias y secundarias sean exactas a las previstas en cada bobinado. Por lo tanto: m= U1n U2n = 380 125 = 3,04

La potencia aparente en vaco (Ssap): Ssap = U1n I10 El ngulo de desfase () o factor de potencia de vaco: cos = P10 Ssap

La potencia perdida que hemos medido con el vatmetro en el bobinado primario del transformador en vaco corresponde a las prdidas en el hierro y en el cobre. P10 = 2,2 W La potencia perdida en el cobre se puede calcular mediante la resistencia del bobinado y el cuadrado de la intensidad del primario (I10)2. La resistencia del cobre medido con un hmetro nos da 2,4 ; la potencia del cobre ser:

En vaco, el coseno de 10 coincide aproximadamente con el cos 20 (cos 10 cos 20).

S

W1 U1n

A1 I0

V1

V2

U20

Pcu = Rcu (I10)2 = 2,4 0,0812 = 0,0015 W Este resultado indica que la potencia que se pierde por el cobre del bobinado se puede despreciar con respecto a las prdidas en el ncleo por las corrientes de Foucault y por el fenmeno de histresis, en cualquier ensayo en vaco.69

G

G Fuente de alimentacin de corriente alterna regulable (autotransformador regulable)Fig. 4.7. Esquema elctrico del ensayo de un transformador en vaco.

C a s o pr c t i c o 4 ( c o n t i n ua c i n )La impedancia se determinar conocida la tensin y la intensidad del primario: Z= U1n I10 = 380 0,081 = 4 691

1. Determinar las caractersticas del transformador. 2. Exponer los objetivos del ensayo. 3. Disear el esquema de montaje del ensayo (puede ser como el de la Figura 4.7) y realizar los clculos previos. 4. Procederemos a localizar los aparatos de medidas necesarios para realizar todas las medidas que el ensayo requiere, y un autotransformador regulable para disponer de diferentes valores de las tensiones. Para eso recurrimos al esquema de montaje que tenemos en la Figura 4.7. 5. Realizaremos el montaje de los elementos que requieren el ensayo segn el esquema de montaje. 6. Procederemos a realizar las medidas pertinentes, anotando en un cuadro de valores todos los datos que los aparatos de medidas nos vayan aportando, como indica el protocolo de ensayos. 7. Cotejaremos los datos obtenidos con los clculos previos, procederemos a determinar la potencia perdida y redactaremos las conclusiones. Denominaremos protocolo de ensayo al documento que recoge el proceso que hemos expuesto anteriormente. Este protocolo se realiza tambin con los ensayos del transformador en carga y en cortocircuito, como veremos ms adelante.

La potencia aparente se determinar conocida la tensin y la intensidad del primario: Ssap = U1n I1 = 380 0,081 = 30,78 VA El ngulo de desfase entre la tensin y la intensidad de corriente. cos = P10 Ssap = 2,2 30,78 = 0,0714

Hay que tener en cuenta algunas consideraciones cuando se producen prdidas en el hierro o en vaco de un transformador; estas prdidas tienen bastante importancia durante su explotacin, ya que por ella misma provoca un consumo de energa incluso cuando el transformador no tiene consumo. En los momentos que no tiene consumo exterior, esta energa deber ser abonada por el usuario, debido a que los contadores de energa se conectan siempre en los primarios de los transformadores de los centros de transformacin. Tambin se ha comprobado que las prdidas en el hierro son aproximadamente proporcionales al cuadrado de la induccin, por lo que al usuario le interesan inducciones bajas; pero el inters de los constructores de transformadores es dar un valor tan elevado como puedan.

4.3 Transformador en cortocircuitoEn los transformadores, al igual que en cualquier dispositivo elctrico, se producen prdidas de potencia; una parte de stas se producen ya en vaco y se mantienen constantes e invariables en carga.

V1 V2 P1 P2 m70

Rcc

Xcc

Icc Ucc V' = 0 2

Tabla 4.2. Cuadro de valores para la realizacin del ensayo.

Para realizar el ensayo de un transformador, deberemos seguir un determinado orden, que puede ser ste:

Fig. 4.8. Circuito equivalente de resistencias e inductancias de un transformador en cortocircuito.

PROTOCOLO DE ENSAYO DE TRANSFORMADORES Tipo de ensayo ENSAYO EN VACO S1___________________(VA) Caractersticas del transformador S2___________________(VA) U1___________________(V) Objetivos del ensayo Determinar las prdidas en el hierro U2__________(V) I1___________(A) I2___________(A) f________(Hz)

Esquema de montaje

Instrumentos de medidas y regulacin a utilizar

U1 (voltios)

U2 (voltios)

I1 (amperios) I2 (amperios)

W1 (vatios)

W2 (vatios)

(m) Relacin de transformacin

Tabla de valores de las medidas realizadas a diferentes valores de la tensin

Clculos definitivos de la potencia perdida en el hierro71

Tabla 4.3. Ficha para el protocolo de ensayo de un transformador.

La otra parte de las prdidas de potencia se producen en los conductores de los bobinados primario y secundario, sometidos a la intensidad nominal. Se denominan prdidas RI2 debidas al cobre (Pcu). Las prdidas de potencia en el cobre (Pcu) se determinan mediante el ensayo en cortocircuito.

En el ensayo en cortocircuito, como las intensidades son nominales, se producen prdidas en el cobre por efecto Joule similares a las que se dan cuando el transformador est en carga; se diferencian en el rendimiento cuando el ndice de carga es menor que la unidad.

Autotransformador regulable

Ar Vcc

Wcc I1n N1

I2n N2 A2

4.4 Ensayo en cortocircuitoCon el ensayo en cortocircuito, conseguimos las intensidades nominales en los dos bobinados, aplicando una pequea tensin al primario y cortocircuitando el secundario con un ampermetro (el ampermetro tiene una resistencia prcticamente nula), como se muestra en las figuras 4.9 y 4.10. En muchos ensayos en vaco, la Icc supera el 25 % de la intensidad nominal (In).

Fig. 4.10. Esquema de montaje para el ensayo en cortocircuito de un transformador.

Las prdidas en el cobre se calculan mediante:2 2 Pcu = R1 I1n + R2 I2n

A. Prdidas en cortocircuitoAutotransformador regulable Ar Vcc Wcc I1n N1 I2n N2 A2

Estas prdidas se determinan directamente con el vatmetro conectado en el primario, que corresponde a la potencia en cortocircuito (Pcc) (vase la Figura 4.9). Pcc = Pcu

Fig. 4.9. Esquema de montaje de un transformador en cortocircuito.

C a s o prc t i c o 5Queremos conocer las prdidas de potencia en los bobinados primario y secundario de un transformador. Para ello conectamos el secundario en cortocircuito; el ampermetro del secundario nos mide una intensidad de 6 A y 2 A en el ampermetro del primario. Midiendo las resistencias de los bobinados con un polmetro digital, tenemos como R1 una resistencia de 0,85 , y R2, una resistencia de 1,4 .2 2 Pcu = R1 I1n + R2 I2n = 0,85 6 +

El procedimiento es el siguiente: Con un autotransformador regulable y comenzando desde cero, aplicamos progresivamente la tensin, que se incrementa voltio a voltio, hasta conseguir las intensidades nominales en los dos bobinados. La tensin aplicada, una vez alcanzada la intensidad nominal en el secundario, recibe el nombre de tensin de cortocircuito (Ucc). Esta tensin supone un valor bajo con respecto a la tensin nominal aplicada al transformador cuando est en carga. En la prctica, la Ucc se da en valores porcentuales oscila entre un 4 % y un 10 % de la tensin nominal U1n. En transformadores de distribucin, la tensin nominal se representa con la letra u minscula seguida de cc, que indica el valor en cortocircuito (Ucc), as como en las dems magnitudes, como son las impedancias, las inductancias, etc. ucc = Ucc 100 U1 n (en %)

+ 1,4 2 = 5,1 + 2,8 = 7,9 WI2cc I1cc U1cc P1ccTabla 4.4. Tabla de valores para el ensayo en cortocircuito de un transformador.

72

B. Resistencias, inductancias e impedancias en cortocircuitoLos valores de la resistencia (Rcc), de la inductacia (Xcc), y de la impedancia (Zcc) de los circuitos en el ensayo en cortocircuito se obtendrn mediante: Resistencia: Rcc = R1 + R 2 Inductancia: Xcc = Xd1 + X 2 d Impedancia:2 2 2 Zcc = Rcc + Xcc

4.5 Rendimiento del transformadorEl rendimiento del transformador se define como la relacin entre la potencia cedida al exterior de la mquina por el bobinado secundario y la potencia absorbida por el bobinado primario:

=

P2 P1

Donde: Zcc = Tambin: Zcc = Ucc I12 2 Rcc + Xcc

Para determinar el rendimiento de un transformador, podemos seguir el mtodo directo, es decir, medir la potencia del primario con un vatmetro y la del secundario con otro, de forma que el rendimiento vendr determinado por el cociente que resulta entre ellos, como se expone en la frmula anterior, en tanto por uno y en tanto por cien, como se indica a continuacin:

=

W2 W1

100 (en %)

Por lo tanto la corriente de cortocircuito siempre depender de las resistencias de sus bobinados y de las inductancias de dispersin provocadas por los mismos.

Este resultado puede impedirnos calcular el rendimiento, debido a que el error de medida de los voltmetros es mayor que la pequea diferencia entre P2 y P1. Con el mtodo indirecto podemos determinar el rendimiento a travs del cociente que resulta de la potencia que el transformador cede el exterior y la potencia absorbida por el transformador, sumndole las prdidas en el cobre y las prdidas en el hierro.

C. La intensidad de cortocircuitoLa intensidad en cortocircuito (Icc) se obtiene as: Icc = U2 Zcc

=

Pu (Pu + Pcu + PFe )

Dado que no se conoce la tensin del secundario, se obtiene sustituyendo la tensin del secundario (U2) por su valor en la expresin de la relacin de transformacin, siendo: U1 Icc = m R +X2 cc 2 cc

4.6 RefrigeracinLa refrigeracin en los transformadores se produce de diferentes maneras debido al tipo de construccin, a la potencia, al medio ambiente donde se encuentre, etc. Los transformadores de pequea potencia se suelen refrigerar mediante la expulsin del aire caliente directamente a la atmsfera. El calentamiento en el transformador se produce por las prdidas de energa elctrica. En los transformadores secos, el escaso efecto refrigerante del aire no es suficiente para su refrigeracin natural, por

D. El factor de potencia de cortocircuitoUna vez obtenidos los datos en el ensayo (la potencia y la tensin de cortocircuito), el coseno de ser: cos cc = Pcc Ucc I1n

73

lo que son construidos con gran superficie de evacuacin de aire. Est normalizado que los transformadores trabajen de forma permanente en rgimen nominal y a una altitud de 1 000 metros; el calentamiento medio no debe superar los 65 C a temperatura ambiente, admitiendo 40 C como temperatura mxima del ambiente.

4.7 Medida de temperaturaSe utilizan varios mtodos para medir la temperatura en el transformador: Mtodo por termmetro. Mtodo por variacin de resistencias de los bobinados. Mtodo por detectores internos de temperatura.

4 1 6 2 3

A. El mtodo por termmetroConsiste en tomar la temperatura en el aceite refrigerante y sobre el ncleo a aquellos transformadores que tienen cuba de aceite. A los transformadores secos se les toma en el ncleo, en otras partes metlicas y en el bobinado, si se tiene acceso a l, mediante unas sondas especficas para cada punto de contacto que se introducen en la parte del transformador que vayamos a medir, y se conecta a un termmetro digital, como el de la Figura 4.12.

5 8 7

B. El mtodo por variacin de resistenciasConsiste en medir las resistencias en fro, y despus de un tiempo estipulado de aproximadamente cuatro horas, una vez que el transformador est funcionando en rgimen nominal, volver a medir las resistencias de los bobinados y calcular la variacin de temperatura en funcin de la diferencia de resistencias en los mismos.

1

Ncleo de tres columnas construido a base de chapas magnticas de grano orientado de bajas prdidas aisladas por ambos lados. Arrollamiento de baja tensin construido con banda de aluminio; las espiras estn fijamente pegadas entre s mediante material aislante laminado. Arrollamiento de alta tensin a base de bobinas individuales de aluminio, bobinados en fleje; la resina se trata en vado. Terminales de baja tensin; arriba, por el lado posterior, y abajo, mediante consulta. Terminales de alta tensin: disposicin variable para optimizar el diseo del C.T. Separadores elsticos: eliminacin de vibraciones entre ncleo y devanados, lo que reduce el ruido. Armazn y chasis con ruedas orientables para desplazamiento longitudinal y transversal. Aislamiento de resina epoxy/cuarzo molido exento de mantenimiento, seguro contra la humedad y tropicalizado, de difcil combustin y autoextinguible.

2

C. El mtodo por detectores internos de temperaturaConsiste en introducir, durante la construccin del transformador, unos sensores de temperatura (termorresistores) que actan en forma de seal al detectar la temperatura que se les ha marcado.

3 4 5 6 774

8

Fig. 4.11. Transformador trifsico seco.

Fig. 4.12. Termmetro digital con sonda de temperatura.

4.8 Medida de aislamientoLa medida de aislamiento consiste en verificar el total aislamiento de los circuitos elctricos del transformador entre s, y entre stos y las partes metlicas del transformador. Un aislamiento defectuoso no detectado por el comprobador de continuidad puede provocar cortocircuito en el transformador y generar mayores problemas en el funcionamiento, adems de poner en peligro a las personas que estn cerca de stos. Para ello se utiliza un aparato de medida llamado medidor de aislamiento o meghmetro. El ensayo consiste en medir entre masas y los bobinados una tensin entre 500 y 1 000 voltios en corriente continua suministrada por el medidor de aislamiento (megger). Para que la resistencia de aislamiento cumpla los lmites establecidos por el Comit Electrotcnico Internacional, el valor mnimo ser: Rais = U 1 000 Donde: Rais = resistencia de aislamiento en M con un mnimo de 250 000 M U = tensin ms elevada de la mquina en voltios

Tensin Mquina de prueba en V Transforentre 500 mador y 1 000 monofsico entre 500 y 1 000 entre 500 y 1 000

Medida de aislamiento primario y masa secundario y masa primario y secundario

ResultaResisdo de la tencia medida de fallo

Tabla 4.5. Medida de aislamiento en una mquina elctrica.

4.9 Medida de rigidez dielctricaLa rigidez dielctrica es la tensin por unidad de espesor que aguanta el aislante sin perforarse. Se expresa en kV/cm. Esto no es suficiente para que el aislante sea adecuado a la tensin de funcionamiento, ya que existen muchos factores que pueden complicar el aislamiento, como, por ejemplo, la humedad, el envejecimiento, el calentamiento excesivo, etc. Para ello se establecen unas normas que deben respetarse para el buen funcionamiento de la mquina. La rigidez dielctrica depende de la naturaleza del aislante, y la tensin que ste puede soportar es el producto de la rigidez dielctrica por el espesor.

kV

Rigidez dielctrica

Fig. 4.14. Dibujo del medidor de rigidez dielctrica.

75

Fig. 4.13. Medidor de aislamiento con meghmetro.

La medida se realiza entre cada uno de los bobinados y masa, y entre los bobinados. Se le ir sometiendo pro-

gresivamente durante un minuto a una tensin igual a 2 Un + 1 000 V a 50 Hz, sin superar la tensin mxima de 1 500 V.Tensin Mquina de prueba en V Transfor2 Un + mador + 1 000 monofsico 1 500 2 Un + + 1 000 1 500 2 Un + + 1 000 1 500 Medida de rigidez dielctrica primario y masa secundario y masa primario y secundario ResultaResisdo de la tencia medida de fallo

la posibilidad de cubrir esa necesidad acoplando dos o ms transformadores en paralelo. Para que esto sea posible, deben darse las siguientes condiciones: Igual relacin de transformacin. Iguales tensiones de cortocircuito. Misma conexin a la red. La potencia nominal no debe ser superior al doble de la potencia del otro transformador.

4.11 Normas de seguridad en el taller de ensayos Conectar siempre a tierra la estructura metlica del transformador que se vaya a ensayar. En el ensayo en cortocircuito, poner mucha atencin a la tensin que se le proporciona progresivamente al bobinado primario, y no exceder nunca la intensidad nominal del primario o del secundario. En el ensayo de aislamiento, comprobar que los bornes del transformador estn desconectados de la red elctrica.

Tabla 4.6. Medida de rigidez dielctrica en una mquina elctrica.

4.10 Acoplamiento en paralelo de transformadores monofsicosCuando tenemos una demanda de potencia mayor que la que podemos suministrar mediante un transformador, cabe

Con ceptos bs i cosCorrientes de Foucault: corrientes producidas en cualquier material conductor cuando se encuentra sometido a una variacin del flujo magntico. Como los materiales magnticos son buenos conductores elctricos, en los ncleos magnticos de los transformadores se genera una fuerza inducida que origina una corriente de circulacin. Histresis magntica: fenmeno que se produce cuando la imantacin de los materiales ferromagnticos no slo depende del valor del flujo, sino tambin de los estados magnticos anteriores. En los transformadores, al someter el material magntico a un flujo variable, se produce una imantacin que se mantiene cuando ste cesa, lo que provoca una prdida de energa. Protocolo de ensayo: documento que recoge los datos del proceso de ensayo de un transformador: caractersticas del transformador, objetivos del ensayo, diseo del esquema de montaje del ensayo, detalle de los aparatos necesarios para realizar todas las medidas, relacin de los valores obtenidos y los clculos definitivos. Rendimiento del transformador: relacin entre la potencia cedida al exterior de la mquina por el bobinado secundario y la potencia absorbida por el bobinado primario. Transformador ideal: transformador en el que no existen ningn tipo de prdidas, ni magnticas ni elctricas. La inexistencia de prdidas supone la ausencia de resistencia e inductancia en los bobinados.

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Autoevaluacin 1. Cmo se expresara que un transformador se encuentra en vaco? 2. Qu se determina con el ensayo de un transformador en vaco? 3. Qu son prdidas en el hierro? 4. Cul ser la potencia perdida en el hierro por Foucault en un transformador con una induccin de 1 Tesla (10 000 Gauss) y un espesor de la chapa magntica de 0,35 mm, conectada a una red con una frecuencia de 50 Hz? 5. Qu son prdidas en el cobre? 6. Qu se determina con el ensayo en cortocircuito? 7. Cul ser la potencia perdida en el cobre? 8. Define y demuestra el rendimiento de un transformador. 9. Calcula la resistencia de aislamiento de un transformador de 380 V en el primario y 220 V en el secundario. La potencia es de 30 kVA. 10. Cita y explica los mtodos para el clculo del rendimiento de un transformador. Actividades de enseanzaaprendizaje 11. Ensayo de un transformador en vaco. Objetivos: Determinar las prdidas de un transformador en vaco. Efectuar el montaje real de un ensayo en vaco. Datos: Calcular la potencia en vaco de un transformador conectado a una red de 220 V. Para ello procederemos a realizar las medidas necesarias con los aparatos correspondientes. Medios didcticos: Un transformador monofsico de pequea potencia. Un autotransformador regulable de tensin. Dos voltmetros.

Un vatmetro. Un ampermetro. Procedimiento: 1. Mediremos la tensin del bobinado primario U1 con el voltmetro V1. 2. Mediremos la intensidad de corriente del bobinado primario I10 con el ampermetro A1. 3. Mediremos la potencia activa P10 con el vatmetro conectado al bobinado primario.I10 = 0'05 A Rcu = 1'40 A1 I0 V1 V2 V2 = 125 V

Cl1 = 220 V

P10 = 1'8 W W1

Fig. 4.15. Esquema del transformador en vaco.

Resultados de las medidas: U10 I10 U20 Rcu P10 220 V 0,05 A 125 V 1,4 1,8 W

Contesta: a) Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en las mediciones, calcula: la relacin de transformacin, la potencia activa en vaco (potencia perdida), la impedancia (Z) y la potencia aparente (Ssap). b) Determina el ngulo de desfase entre la tensin y la intensidad de corriente.77

c) Contrasta las prdidas de potencia por Foucault y por histresis. d) Comprueba las prdidas totales en el hierro.

Acti v idades

12. Ensayo de un transformador en cortocircuito. Objetivos: Conocer las conclusiones del ensayo de transformador en cortocircuito. Conocer el montaje real de un ensayo en cortocircuito.

2. Tomaremos los datos de la medida de los ampermetros del primario A1 y del secundario A2. 3. Tomaremos los datos de la potencia activa con el vatmetro conectado al bobinado primario.

I1n

Ucc

Pcc

Acti v idades

Conocer la tensin de cortocircuito (en %). Medios didcticos: Un transformador monofsico de pequea potencia. Un autotransformador regulable de tensin. Un voltmetro. Dos ampermetros. Un vatmetro. Datos: Tenemos un transformador de tensin nominal en el primario de 220 V y queremos conocer la tensin en cortocircuito (en %), por lo que hemos de realizar el montaje requerido como indica la Figura 4.16. 4. En el transformador ensayado, obtenemos el resultado para la tensin en cortocircuito. La tensin en cortocircuito es de gran importancia para el clculo de la impedancia interna Z del transformador, de la potencia perdida en el cobre Pcu ,de los bobinados, del factor de potencia y de la intensidad en cortocircuito Icc. Por lo tanto, a partir de estos valores podramos determinar el cos cc. Contesta: a) Determina las prdidas en el cobre. b) Determina la tensin de cortocircuito de un transformador. 13. Medida de aislamiento del transformador.I1n = 0'32 A Pcc = 5 W Ucc = 18 V Autotransformador regulable A1 Ucc Wcc I1n N1 I2n N2 A2

Objetivo: Verificar si el transformador cumple la normativa sobre aislamiento. Manejar el medidor de aislamiento o megohmetro (megger). Medios didcticos: Transformador monofsico. Medidor de aislamiento.

I1

Fig. 4.16. Esquema del transformador en cortocircuito.

Procedimiento: 1. Aplicaremos tensin de forma progresiva y de voltio en voltio hasta conseguir en el bobinado primario o en el secundario la intensidad nominal medida por los ampermetros correspondientes.

Procedimiento: 1. Desconectamos los bobinados primario y secundario de la red y de la carga, respectivamente. 2. Conectamos el meghmetro entre el bobinado primario y la carcasa metlica del transformador.

78

3. Conectamos el megohmetro entre el bobinado secundario y la carcasa metlica del transformador. 4. Conectamos el megohmetro entre el bobinado primario y el secundario. Datos:

Procedimiento: 1. Identificar la tensin mayor a la que trabaja el transformador. 2. Conectar el medidor de rigidez dielctrica a un borne del primario y a la carcasa metlica del transformador; aumentar progresivamente el valor de la tensin de rigidez dielctrica hasta llegar a 1 500 voltios durante un minuto. 3. Conectar el medidor de rigidez dielctrica a un borne del secundario y a la carcasa metlica del transformador; aumentar progresivamente el valor de la tensin de rigidez dielctrica hasta llegar a 1 500 voltios durante un minuto. 4. Conectar el medidor de rigidez dielctrica a un borne del primario y a otro borne del secundario del transformador; aumentar progresivamente el valor de la tensin de rigidez dielctrica hasta llegar a 1 500 voltios durante un minuto.

Transforentre 500 mador y 1 000 monofsico entre 500 y 1 000 entre 500 y 1 000

primario y masa secundario y masa primario y secundario

Infinito ()

Infinito () Infinito ()

Tabla 4.7. Medida de medidas de aislamiento en una mquina elctrica.

El resultado obtenido en la medida de aislamiento por el medidor de aislamiento es infinito en cada una de las medidas, como indica el cuadro anterior. Contesta: a) Comprobar mediante frmula si el resultado est dentro de los lmites normalizados. 14. Medida de rigidez dielctrica en slido. Objetivos: Comprobar la posibilidad de perforacin de un aislante. Estudiar el concepto de rigidez dielctrica. Medios didcticos: Transformador monofsico. Medidor de rigidez dielctrica (chispmetro).

Tensin Mquina de prueba en V Transfor2 Un + mador + 1 000 monofsico 1 500 2 Un + + 1 000 1 500 2 Un + + 1 000 1 500

Medida de rigidez dielctrica primario y masa secundario y masa primario y secundario

ResultaResisdo de la tencia medida de fallo *

*

*

(*) No se ha disparado el medidor de rigidez dielctrica. Tabla 4.8. Medida de rigidez dielctrica en una mquina elctrica.

Contesta: a) Comprueba mediante frmula si el resultado de la medida est dentro de lo normalizado. b) Identifica una perforacin provocada.79

Acti v idades

Tensin Mquina de prueba en V

Medida de aislamiento

ResultaResisdo de la tencia medida de fallo