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Tema : Diseño de Transformadores.

Universidad del Bio – Bio. Tema : Diseño de Transformadores. Expositores: Pedro Candia Y. Juan Concha Z. Dpto. de Ingeniería Eléctrica. Flujo magnético. I 1. I 2. V 1. V 2. Secundario. Primario. Núcleo de chapa magnética aislada. 1.- Generalidades :. Transformador

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  1. Universidad del Bio – Bio. Tema : Diseño de Transformadores. Expositores: Pedro Candia Y. Juan Concha Z. Dpto. de Ingeniería Eléctrica.

  2. Flujo magnético I1 I2 V1 V2 Secundario Primario Núcleo de chapa magnética aislada 1.- Generalidades : Transformador elemental Se utilizan en redes eléctricas para convertir un sistema de tensiones (mono - trifásico) en otro de igual frecuencia y > o < tensión La conversión se realiza práctica-mente sin pérdidas PotentradaPotenciasalida Las intensidades son inversamente proporcionales a las tensiones en cada lado Transformador elevador: V2>V1, I2<I1 Transformador reductor: V2<V1, I2>I1 Los valores nominales que definen a un transformador son: Potencia aparente (S), Tensión (U), I (corriente) y frecuencia (f)

  3. En la construcción del núcleo se utilizan chapas de acero aleadas con Silicio de muy bajo espesor (0,3 mm) aprox. I1 I2 V1 V2 Corte a 90º Corte a 45º Montaje chapas núcleo 5 3 4 El núcleo puede tener sección cuadrada. Pero es más frecuente aproximarlo a la circular 2 1 2.- Aspectos constructivos: circuito magnético I El Si incrementa la resistividad del material y reduce las corrientes parásitas La chapa se aisla mediante un tratamiento químico (Carlite) y se obtiene por LAMINACIÓN EN FRÍO: aumenta la permeabilidad. Mediante este procedimiento se obtien factores de relleno del 95-98%

  4. 3.- Aspectos construc-tivos: devanados y aislamiento I 600-5000 V Diferentes formas constructivas de devanados según tensión y potencia 4,5 - 60 kV Los conductores de los devanados están aislados entre sí: En transformadores de baja potencia y tensión se utilizan hilos esmaltados. En máquinas grandes se emplean pletinas rectangulares encintadas con papel impregnado en aceite El aislamiento entre devanados se realiza dejando espacios de aire o de aceite entre ellos > 60 kV La forma de los devanados es normalmente circular El núcleo está siempre conectado a tierra. Para evitar elevados gradientes de potencial, el devanado de baja tensión se dispone el más cercano al núcleo

  5. Aislante Primario Secundario Secundario Primario Estructura devanados: trafo monofásico Núcleo con 3 columnas Núcleo con 2 columnas Aislante Primario Secundario Primario Secundario Aislante Alternado Concéntrico 4.- Aspectos constructivos: devanados y aislamiento II

  6. 4.1- Aspectos constructivos: devanados y aislamiento III Catálogos comerciales Conformado conductores devanados Catálogos comerciales Fabricación núcleo: chapas magnéticas

  7. 4.2-Aspectos constructivos:refrigeración • 1 Núcleo • 1’ Prensaculatas • 2 Devanados • 3 Cuba • 4 Aletas refrigeración • 5 Aceite • 6 Depósito expansión • 7 Aisladores (BT y AT) • 8 Junta • 9 Conexiones • 10 Nivel aceite • 11- 12 Termómetro • 13 - 14 Grifo de vaciado • 15 Cambio tensión • 16 Relé Buchholz • 17 Cáncamos transporte • 18 Desecador aire • 19 Tapón llenado • 20 Puesta a tierra  Transformadores de potencia medida... E. Ras Oliva

  8. 5.- Ejemplo constructivo:Planteamiento del problema • La fig. muestra un núcleo monofásico con las siguientes características : • Permeabilidad relativa : 4000 • Densidad del Fe = 7.85 gr/cm3 • Perdidas mag. = 3.5Watt/Kg a ,1 (T) y 50Hz • KFe = 0.9 ; KCu = 0.4 • Resistencia del Cu = 0.018 homs • Jcu =4 A/mm2 • Frecuencia = 50Hz • Tensión nom.primario = 380 Volt. • Tensión nom. Secundario = 110 Volt. • BMax = 1 (T) • Se pide calcular : • 1.- expresar en función de X = 50 mm • 2.- Potencia aparente, el volumen del FE • 3.-Longitud del alambre del prim. y sec. • 4.- Las perdidas del Cu a plena carga • 5.-Las perdidas magnéticas a volt Y frec. nom • 6.-La corriente de excitación

  9. 5.1- Ejemplo constructivo:Solución del problema

  10. 5.1- Ejemplo constructivo:Solución del problema

  11. 5.1- Ejemplo constructivo:Solución del problema

  12. 5.1- Ejemplo constructivo:

  13. 5.2- Ejemplo constructivo:Solución del problema • Se pide calcular : • Si X = 50 mm • 1.- Potencia aparente • R= 2.87 Kva • 2.- volumen del FE • R = 1520 Cm2 • 3.-Longitud del alambre del prim. y sec. • R prim= 105.91 mt • R sec= 27.25 Mt • 4.- Las perdidas del Cu a plena carga • R= 57.15 W • 5.-Las perdidas magnéticas a volt Y frec. Nom • R= 37.58 W • 6.-La corriente de excitación (I0) • R= 0.103 16.46º A

  14. 5.3 Aspectos constructivos: trafos trifásicos I Catálogos comerciales Transformadores en baño de aceite

  15. 5.3 Aspectos constructivos: trafos trifásicos II Catálogos comerciales OFAF Transformador seco

  16. 5.3 Aspectos constructivos: trafos trifásicos III 2500 kVA Baño de aceite 5000 kVA Baño de aceite 1250 kVA Baño de aceite Catálogos comerciales 10 MVA Sellado con N2 10 MVA Sellado con N2

  17. 5.3 Aspectos constructivos: trafos trifásicos IV Catálogos comerciales Seco Catálogos comerciales Secciones de transfomadores en aceite y secos En aceite

  18. (t) Transformador en vacío LTK primario: I0(t) I2(t)=0 Ley de Lenz: e1(t) e2(t) U2(t) V1(t) R devanados=0 6.- Principio de funcionamiento (vacío) El flujo es senoidal Tensión eficaz Tensión máxima Repitiendo el proceso para el secundario Fem eficaz La tensión aplicada determina el flujo máximo de la máquina

  19. (t) I1(t) I2(t) P1 P2 P=0 U1(t) U2(t) U I I 1 = = = 1 2 k 1 t U I I k 2 1 2 t 7.- Principio de funcionamiento: relación entre corrientes Considerando que la conversión se realiza prácticamente sin pérdidas:PotentradaPotenciasalida Considerando que la tensión del secundario en carga es la misma que en vacío: U2vacíoU2carga Las relaciones de tensiones y corrientes son INVERSAS P1  P2: U1*I1=U2*I2 El transformador no modifica la potencia que se transfiere, tan solo altera la relación entre tensiones y corrientes

  20. 8.- Trafos trifásicos I Primarios y secundarios estarían conectados en estrella. Puede haber neutro o no. Banco trifásico de transformadores monofásicos La forma más elemental de transformar un sistema trifásico consiste en transformar cada una de las tensiones de fase mediante un trafo monofásico.

  21. 8.1- Trafos trifásicos II 3 transformadores monofásicos 2 2 1 1 Devanado con N2 espiras 3 3 Aislante =0 Devanado con N1 espiras 2 1 3 Estructura básica de un transformador trifásico La suma de los tres flujos es 0: se pueden unir todas las columnas en una columna central Eliminando la columna central se ahorra material y peso del trans-formador Se puede suprimir la columna central

  22. 1 3 2 Transformador trifásico de 3 columnas 1 2 3 Transformador trifásico núcleo acorazado (5 columnas) 8.1 Trafos trifásicos III En un transformador con tres columnas existe una pequeña asimetría del circui-to magnético: el flujo de la columna cen-tral tiene un recorrido más corto y, por tanto, de menor reluctancia. La corriente de magnetización de esa fase será ligeramente menor. Las dos columnas laterales sirven como camino adicional al flujo. De este modo, es posible reducir la sección y, por tanto, la altura de la culata Si el sistema en el que trabaja el transformador es totalmente equilibrado su análisis se puede reducir al de una fase (las otras son = desfasadas 120º y 240º) El circuito equivalente que se utiliza es el mismo, con la tensión de fase y la corriente de línea (equivalente a conexión estrella – estrella)

  23. R S T Conexión estrella – triángulo: Yd R’ S’ T´ 8.2 Conexiones en transformadores trifásicos II La conexión Yy plantea problemas debidos a la circulación de corrientes homopolares (causadas por los armónicos de la corriente de vacío) por el neutro. En condiciones de carga desequilibrada entre fase y neutro aparecen sobretensiones Cuando uno de los devanados está conectado en triángulo los flujos homopolares se anulan y los inconvenientes anteriores desaparecen. El único problema es la no disponibilidad del neutro en uno de los devanados

  24. 8.3 Ejemplo constructivo:Planteamiento del problema • La figura muestra un núcleo trifásico que posee las siguientes características: • µ = 4000µ 0  ( Este dato es necesario para el cálculo de la componente magnetizante de I0) • Densidad = 7.8 gr/cm3 • Pérdidas magnéticas = 3.5 Watt/Kilo a 1 tesla y a 50 Hz • Kfe = 0.9 • Kcu = 0.4 • Jcu = 5 A/mm2

  25. Se pide lo siguiente: Con dicho núcleo, proyectar un transformador trifásico conectado en Delta - Estrella, para 380/220 Volt. entre líneas, 50 Hertz, entregando los siguientes resultados, en base a estimaciones: a) Potencia nominal estimada, en KVA b) Pérdidas magnéticas y por efecto Joule, en condiciones nominales. c) Factibilidad de construcción, según estimaciones. d) Si lo estima de interés, haga los cálculos necesariospara obtener la corriente de excitación   en magnitudy ángulo.

  26. 8.3- Ejemplo constructivo:Planteamiento del problema

  27. 8.3- Ejemplo constructivo:Planteamiento del problema

  28. 8.3- Ejemplo constructivo:Planteamiento del problema

  29. 8.3- Ejemplo constructivo:Planteamiento del problema

  30. 8.3- Ejemplo constructivo:Planteamiento del problema

  31. 8.3 Ejemplo constructivo:Solución del problema

  32. 8.3 Ejemplo constructivo:Solución del problema

  33. 8.3 Ejemplo constructivo:Solución del problema

  34. 8.3 Ejemplo constructivo:Solución del problema • Factibilidad de construcción, según estimaciones:

  35. 8.3 Ejemplo constructivo:Solución del problema

  36. 9 .- Paginas de interés relacionadas con el tema diseño de trafo : • http://www.ing.unlp.edu.ar/sispot/libros.htm • -información para la especialidad de electricidad. • http://www.aurover.com.ar/ • - Programas para calculo de transformadores. • http://zeus.dci.ubiobio.cl/electricidad/home.html • - información variada sobre la especialidad de Elec. • http://www.cge.cl/tusan.htm • -empresa de construcción de transformadores. InstitutoReal Maní Fc. U Bio-Bio, concepción chile

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