Transformadores de Potencia 1
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4.2 Transformadores de potencia
4.2.1 Generalidades
Descripcin Circuito magntico
Circuito elctrico
Refrigeracin
Aspectos constructivos
4.2.2 Principio de funcionamiento
El transformador ideal
Funcionamiento en vaco
Funcionamiento en carga
4.2.3 Circuito equivalente
Reduccin al primario
Circuito equivalente exacto Circuito equivalente aproximado
4.2.4 Transformadores trifsicos
Descripcin
Grupos de conexin
-
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4.2 Transformadores de potencia
4.2.5 Ensayos del transformador
Ensayo de vaco Ensayo de cortocircuito
4.2.6 Rendimiento del transformador
Prdidas en el transformador
Rendimiento
4.2.7 Regulacin de tensin
Cada de tensin
Regulacin de tensin: clculo aproximado
Efecto Ferranti
4.2.8 Placa de caractersticas
4.2.9 Datos de catlogo
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Mquina elctrica que se utiliza en la red elctrica para cambiar los niveles de tensin
Prdidas muy reducidas: potencia de entrada casi igual a la de salida
Componentes bsicos:
Circuito magntico
Devanados primario y secundario
El devanado de mayor tensin presenta menores intensidades que el de menor
(porque la potencia es casi constante)
Relacin de transformacin:rt=U1/U2
Transformador elevador: rt1
4.2.1 Generalidades
Descripcin
Secund
U1
Ncleo de chapamagntica aislada
Primario
Flujo magntico
U
I2
I1
Caractersticas principales:
Tensiones nominales: U1n, U2n
Potencia aparente nominal: Sn
Intensidades nominales: I1n, I2n
Frecuencia nominal
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Apilamiento de chapas de material ferromagntico de pequeo espesor
Las chapas estn aisladas para reducir prdidas por corrientes parsitas
Tipos de ncleos magnticos de transformadores monofsicos:
4.2.1 Generalidades
Circuito magntico
El ncleo suele aproximarse a una seccin circular a base de paraleleppedos
Posibles tipos de unin de las chapas: solape y tope Posibles tipos de corte de las chapas: 45 y 90 grados
AcorazadoNormal
Columnas
Culatas
Unin a tope Unin a solape Seccin columna
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Forma circular dispuestos concntricamente a la columna
Compuestos por conductores aislados entre si:
Hilos de cobre esmaltados (trafos de pequea potencia)
Pletina de cobre encintada (trafos de elevada potencia)
Devanado de baja tensin siempre en el interior para disminuir los gradientes de
tensin, pues el ncleo est puesto a tierra
Disposiciones:
4.2.1 Generalidades
Circuito elctrico
Baja tensin
Alta tensin
Aislamiento
Devanados concntricos Devanado en galletas
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4.2.1 Generalidades
Circuito magntico y elctrico
Detalle de un ncleo magntico Proceso de conformado de un devanado
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Prdidas en el transformador:
Ncleo magntico (histresis y corrientes parsitas)
Joule en los devanados
Necesidad de evacuar las prdidas para mantener la temperatura por debajo del
lmite trmico de los aislamientos: elevada superficie especfica
Propiedades del medio refrigerante:
Alta conductividad trmica Alta rigidez dielctrica
Posibilidades:
Bao de aceite (transformadores en bao de aceite)
Resina epoxdica (transformadores secos)
Tipos de refrigeracin en transformadores:
Exterior (natural o forzada)
Interior (natural o forzada)
Notacin del tipo de refrigeracin. Ejemplos:
OFAF (Oil Forced Air Forced): refrigeracin interior y exterior forzada
ONAN (Oil Natural Air Natural): refrigeracin interior y exterior natural
ONAF (Oil Natural Air Forced): refrigeracin interior natural y exterior forzada
4.2.1 Generalidades
Refrigeracin
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4.2.1 Generalidades
Refrigeracin
Transformador en aceite Transformador seco
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4.2.1 Generalidades
Aspectos constructivos
Transformador en aceite
1
2
3
4
5
6
7
8
1 Ncleo de hierro
2 Devanados
3 Cuba
4 Radiadores
5 Depsito de expansin
6 Bornas de alta tensin
7 Bornas de baja tensin
8 Placa de caractersticas
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4.2.2 Principio de funcionamiento
El transformador ideal
Hiptesis de funcionamiento:
Devanados:
Sin prdidas Joule
Sin flujos de dispersin
Circuito magntico:
Sin prdidas en el hierro
Permeabilidad infinita (posibilidad de existencia de flujo sin consumo de intensidadmagnetizante)
Ecuaciones:
Segunda ley de Kirchhoff en cada devanado
U1 U
I2
I1
E1
E2
==
==
dt
dNeu
dt
dNeu
222
111
tr
N
N
U
U
fNU
fNU==
=
=
2
1
2
1
22
11
44.4
44.4
-
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4.2.2 Principio de funcionamiento
El transformador ideal
Ecuaciones:
Circuito magntico asociado
+
F1=N1I1
+
F2=N2
RF
trI
IININ
10
2
1221121 === RFF
El transformador ideal es una dispositivo terico que no existe en realidad
A partir de este modelo ideal se incorporarn cada una de las simplificaciones
enunciadas anteriormente para obtener el modelo del transformador real
Modelo del trafo ideal
I1 I2rt:1
U1 U2
+ +
- - trI
I 1
2
1 =
trN
N
U
U==
2
1
2
1
-
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4.2.2 Principio de funcionamiento
El transformador real: funcionamiento en vaco
Transformador en vaco: no se tiene conectada ninguna carga en el secundario
Introduccin de la permeabilidad finita del circuito magntico:
Se necesita una intensidad para magnetizar el ncleo
Se calcula a partir de la curva de magnetizacin B-H punto a punto
Conclusiones:
La intensidad de vaco no es senoidal sino deformada debida a la saturacin La intensidad de vaco est en fase con el flujo
Si se considera la senoide equivalente se puede hacer un diagrama fasorial
U
I0 F
-
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4.2.2 Principio de funcionamiento
El transformador real: funcionamiento en vaco
Introduccin de las prdidas en el circuito magntico
Ahora la curva de magnetizacin describe el ciclo de histresis
Se calcula de forma similar a la anterior
Conclusiones:
La intensidad de vaco no es senoidal sino deformada (saturacin e histresis) La intensidad de vaco adelanta al flujo
Si se considera la senoide equivalente se puede hacer un diagrama fasorial
Ife: Componente de prdidas en el hierro
Im: Componente de magnetizacin
U
Im FIFe
Io
fo
Io: Intensidad de vaco
-
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4.2.2 Principio de funcionamiento
El transformador real: funcionamiento en vaco
Modificacin del circuito equivalente del transformador para tener en cuenta:
Permeabilidad finita del material: Im retrasa a la tensin reactancia Xm
Prdidas en el hierro: Ife en fase con la tensin resistencia Rfe
U1= E1
Im F
IFeIo
fo
Io 0
rt:1
E1 E2= U2
+ +
- -
RFe jXm
0
U1
+
-
IFe Im
-
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4.2.2 Principio de funcionamiento
El transformador real: funcionamiento en vaco
Modificacin del circuito equivalente del transformador para tener en cuenta:
Resistencia del devanado primario: R1
Flujo de dispersin en el devanado primario: X1
La tensin primaria no es idntica a la fuerza electromotriz E1 y E2
E2= U2
Io 0rt:1
E1
+ +
-
-
RFe jXm
0
U1
+
-
IFe Im
R1 jX1U1
E1
Im F
IFeIo
fo
R1Io
jX1Io
-
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4.2.2 Principio de funcionamiento
El transformador real: funcionamiento en carga
Transformador en carga: se conecta una carga en el secundario (circula intensidad)
En el devanado secundario existirn los mismos efectos que en el primario:
resistencia y reactancia de dispersin
U1
E1
F
I1
R1I1jX1I1
E2
I1= I0+ I2/rt I2rt:1
E1
+ +
- -
RFe jXm
I2/rt
U1
+
-
IFe Im
R1 jX1 R2 jX2
U2
+
-
E2
U2
F
I2
R2I2
jX2I2
-
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4.2.3 Circuito equivalente
Reduccin al primario
Un circuito elctrico que incluye transformadores no tiene un nico nivel de tensin
Para resolver este inconveniente se puede realizar la reduccin a uno de los
devanados. En el transformador ideal:
trI
I 1
2
1 =trN
N
U
U==
2
1
2
1
=
===
c
'
c
'
c2c2ZZ
IZUIZUIZU
2
11
1
2
1
t
c
tr
r
La impedancia se ve desde el primario con valor Zc
Las magnitudes que estn en un secundario y se reducen al primario se notarn M
Las magnitudes que estn en un primario y se reducen al secundario se notarn M
Con la reduccin a uno de los devanados desaparece el transformador ideal del
circuito, existiendo un nico nivel de tensin
I1 I2rt:1
U1 U2
+ +
- -
Zc
Zc
-
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4.2.3 Circuito equivalente
Circuito equivalente exacto
Consiste en reducir a uno de los devanados, generalmente el primario
I1
E1=E2
+
-
RFe jXm
I2
U1
+
-
IFe Im
R1 jX1 R2 jX2
U2
+
-
E1=E2 U2
F
I2
R2I2
jX2I2
I0
I1
U1
R1I1
jX1I1
-
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4.2.3 Circuito equivalente
Circuito equivalente aproximado
La resistencia y reactancia de dispersin son tan pequeas que la fuerza
electromotriz E1 puede suponerse igual a la U1, lo que plantea una simplificacin
U2
I1
RFe jXm
I2
U1 =E1=E2
+
-
IFe Im
R1 jX1 R2 jX2
+
- (R1+ R2 )I
F
U2
I2
j(X1+X2)I2
I0
I1
U1=E1=E2
La suma de las impedancias primaria y secundaria se
denomina impedancia de cortocircuito:
22
21
21
cccccc
cc
ccXRZ
XXX
RRR+=
+=
+=
-
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4.2.4 Transformadores trifsicos
Descripcin
La transformacin trifsica se puede realizar a partir de: Banco trifsico de tres transformadores monofsicos
Se pueden realizar conexiones en estrella o en tringulo tanto en
primario como en secundario
1
2 T1
1
2 T2
1
2 T3
rst
Banco estrella-estrella
R
1
2 T1
1
2 T2
1
2
rst
ST
Banco tringulo-tringulo
-
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4.2.4 Transformadores trifsicos
Descripcin
La transformacin trifsica se puede realizar a partir de:
Transformador trifsico de tres columnas:
Cada columna contiene los devanados de alta y baja de una fase
Fase R Fase S Fase T
Baja tensin
Alta tensin
Aislamiento
Las conexiones de estas bobinas pueden ser en estrella y en tringulo
-
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4.2.4 Transformadores trifsicos
Grupos de conexin
Designacin de los transformadores trifsicos: dos letras ms un nmero
Primera letra: conexin del devanado de alta tensin
Estrella: Y
Tringulo: D
Segunda letra: conexin del devanado de baja tensin:
Estrella: y
Tringulo: d Nmero: ndice horario
Se refiere al ngulo de desfase de las tensiones secundarias con
respecto a las primarias
La tensin primaria se toma como origen de fases a las 12 horas
El ndice horario se refiere a la hora que est marcando la tensin
secundaria (ngulo de desfase en grados dividido por 30)
Ejemplo: Yy0
Devanado de alta tensin en estrella
Devanado de baja tensin en estrella
Desfase nulo
UR
USUT
Ur
UsUt
-
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4.2.4 Transformadores trifsicos
Grupos de conexin
Designacin de los transformadores trifsicos: dos letras ms un nmero
Ejemplo: Yy6 Devanado de alta tensin en estrella
Devanado de baja tensin en estrella
Desfase 180 grados
Ejemplo: Dy11
Devanado de alta tensin en tringulo
Devanado de baja tensin en estrella
Desfase 30 grados
Ejemplo: Dy5
Devanado de alta tensin en tringulo
Devanado de baja tensin en estrella
Desfase -150 grados
UR
USUTUr
UtUs
UR
USUT
Ur
U
Ut
UR
USUT Ur
Us
Ut
-
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4.2.5 Ensayos del transformador
Objeto
Deducido el circuito equivalente del transformador se necesita conocer el valor decada uno de sus parmetros
Para ello se procede al ensayo de los transformadores en laboratorio
Medidas a adquirir durante el ensayo:
Tensiones
Intensidades
Potencias
Son idnticos tanto para el caso monofsico como para el trifsico
En el ensayo trifsico se miden magnitudes de lnea y potencias trifsicas
Los ensayos determinarn los valores del circuito equivalente aproximado del
transformador:
Ensayo de vaco: rama de magnetizacin
Ensayo de cortocircuito: impedancia de cortocircuito
-
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4.2.5 Ensayos del transformador
Ensayo de vaco
Condiciones de realizacin del ensayo: Secundario abierto (sin carga)
Tensiones de alimentacin primarias cercanas a la nominal. Si la tensin es
la nominal, el ensayo se realiza en condiciones nominales
Medidas que se realizan:
Tensin de vaco primaria y secundaria: U10 y U20
Intensidad de vaco: I0
Potencia de vaco: P0
Esquema del ensayo
U10
U20
I0
V
A W
V
4 2 E d l f d
-
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4.2.5 Ensayos del transformador
Ensayo de vaco
Circuito equivalente aproximado asociado al ensayo:
I0
jXmRFeU1 =E1=E2
+
-
IFe Im U1= E1
Im F
IFeIo
fo
Clculo de los parmetros de la rama de magnetizacin (caso monofsico):
o
oo
oo
IU
P =cos
==
==
I
UXII
I
URII
Io
oo
Fe
oFeooFe
oo
sin
cos
4 2 5 E d l t f d
-
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4.2.5 Ensayos del transformador
Ensayo de cortocircuito
Condiciones de realizacin del ensayo: Secundario cortocircuitado
Intensidad de alimentacin primarias cercanas a la nominal. Si la intensidad
es la nominal, el ensayo se realiza en condiciones nominales
Medidas que se realizan:
Tensin de cortocircuito: Ucc
Intensidad de cortocircuito: Icc
Potencia de cortocircuito: Pcc
Esquema del ensayo
Ucc
Icc
V
A W
4 2 5 E d l t f d
-
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4.2.5 Ensayos del transformador
Ensayo de cortocircuito
Circuito equivalente aproximado asociado al ensayo:Rcc jXccIcc
Ucc
+
-
Rcc
Icc
jXccIcc
Icc
Ucc
fcc
Clculo de los parmetros de la rama de cortocircuito (caso monofsico):
cc
cccc
cccc
IU
P =cos
=
==
cccccc
cccccc
cc
cccc
ZX
ZR
I
UZ cc
sin
cos
4 2 6 R di i t d l t f d
-
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4.2.6 Rendimiento del transformador
Balance de prdidas
Las prdidas del transformador son: Prdidas Joule del devanado primario
Prdidas del hierro
Prdidas Joule del devanado secundario
Utilizando el circuito equivalente aproximado, dichas prdidas se concentran en:
Prdidas Joule en los devanados
Prdidas del hierro
2
111 IRPJ =
2
222 IRPJ =
22
1
FeFeFe
Fe IRR
E
P ==
2'
2IRP cccc =
22
FeFeFe
Fe
IRR
UP ==
4 2 6 Rendimiento del transformador
-
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4.2.6 Rendimiento del transformador
Rendimiento
El rendimiento se define como el cociente entre la potencia cedida y la absorbida:
En funcin de la potencia cedida por el secundario y las prdidas:
Definicin de ndice de carga:
Se puede obtener una expresin aproximada si se supone:
111
222
1
2
cos
cos
IU
IU
P
P==
2222222222 coscoscos nnnn cScIUIUPUU ==
ccFe PPP
P
P
P
++==
2
2
1
2
Fen
n
cPcS
cS2
2
2
cos
cos
++=
ccnncccccc PcIcRIRP 22'
2
22'
2 ===
nn S
S
I
Ic 2
2
2 =
-
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4 2 7 Regulacin de tensin
-
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4.2.7 Regulacin de tensin
Clculo aproximado
Expresin aproximada de la regulacin de tensin utilizando el circuito equivalenteaproximado:
RccI2
U2
jXccI2
U1
f
f
A
B
C
DBCABCDBCABU +++=
coscos 1'
2 ncccc IcRIRAB ==
sinsin 1'
2 ncccc IcXIXBC ==
)sincos(1 ccccn XRcIU +=
)cos(1 = ccccnZcIU)cos(1
=
= ccccn
c cU
U
RccI2U2
I2
jXccI2U1
DU
f
4 2 7 Regulacin de tensin
-
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4.2.7 Regulacin de tensin
Efecto Ferranti
El ngulo f se refiere al ngulo de la impedancia de carga: Positivo para carga inductiva
Negativo para carga capacitiva
Para cargas capacitivas es posible que:
Significado: la tensin en el secundario en carga es mayor que la tensin de vaco
A este fenmeno se le denomina efecto Ferranti
00)cos(2
-
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4.2.8 Placa de caractersticas
Placa dispuesta en la cuba del transformador que contiene Informacin tcnica:
4 2 8 Datos de catlogo
-
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4.2.8 Datos de catlogo
Schneider Electric:
4 2 8 Datos de catlogo
-
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4.2.8 Datos de catlogo
ABB:
4.2.8 Datos de catlogo
-
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4.2.8 Datos de catlogo Otros fabricantes
15201600213025007605.0128801110017801.61000
14701450194020005805.010420890015201.6800
147013500174016505405.08425714012851.6630
12701300176015004705.06870578010901.7500
11001270158011804164.5566047309301.9400970123011609803584.5444036757652.0300
1080117010207952804.0350528906152.1225
770111013606682164.0241019604502.4150
74098011405401753.5190515403652.6112.5
62094011004401603.5135510902653.075
6008908703401203.08907101803.545
6008907902801003.06505151353.630
590890700200533.0390310804.415
CBAP
total
(W)
Pcu(W)
Po(W)
MEDIDAS (mm)PesoKg.
Aprox.
Litros
deaceite
Uz
%
PERDIDASLo
% deinKVA