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26/12/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 1

TRANSFORMADOR

MOTOR

Profesor del Curso :

Ms.Sc. César L. López Aguilar

Ingeniero Mecánico Electricista

CIP 67424

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ESCUELA DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL

MODULO SEMANA 13 : TRANSFORMADORES

CURSO: CIRCUITOS Y


CONTENIDO

1. TRANSFORMADORES. CONCEPTOS

2. EL TRANSFORMADOR IDEAL Y EL PRACTICO

3. CLASIFICACION DE TRANSFORMADORES

4. COMPONENTES BASICOS DE UN TRANSFORMADOR

5. PARTES CONSTRUCTIVAS

6. AISLAMIENTO DE TRANSFORMADORES

7. LOS DEVANADOS DE UN TRANSFORMADOR

8. METODOS DE ENFRIAMIENTO

9. CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES

10.PRACTICA DE AUTOCOMPROBACION

EL TRANSFORMADOR DE POTENCIA



TRANSFORMADOR IDEAL

Para el caso de un Transformador Ideal es el mismo tipo de maquina pero

se considera que no tiene perdida.

Un transformador ideal se encuentra constituido por una bobina de

entrada y una bobina de salida


SUPUESTO PARA UN TRANSFORMADOR IDEAL

1. Los devanados tienen resistencia cero; por tanto, las pérdidas I²R en el

devanado son cero.

2. La permeabilidad del núcleo μc es infinita, lo cual corresponde a una

reluctancia cero del núcleo.

3. No hay flujo de dispersión; es decir, el flujo es completo Фc está

confinado al núcleo enlaza los dos devanados.

4. No hay perdidas en el núcleo.

Haciendo una representación esquemática de un transformador de dos

devanados, tendremos:

Aplicando la ley de Ampere y Faraday

con los supuestos anteriormente

mencionados podemos deducir las

siguientes relaciones de un

transformador ideal



Reemplazando, la ecuación quedaría como: N1I1 – N2 I2 = Rc Ǿc

Para un transformador ideal se supone que μc, es infinita, lo cual hace

que Rc es cero, quedando la expresión de la siguiente forma: N1I1 = N2 I2

En la práctica, los devanados y núcleos de los transformadores de

potencia están contenidos dentro de recipientes y las direcciones de los

devanados no son visibles.

Una forma de transmitir la información de los devanados es colocar un

punto en uno de los extremos de cada uno de ellos de tal forma que

cuando la corriente entra a un devanado en el punto, produce una f.e.m.

que actúa en la misma dirección, las cuales son conocidas como marca

de clase o marcas de polaridad.

La ley de Faraday establece que la tensión e(t) inducida a través de un

devanado de N vueltas por un flujo Φ(t) variable con el tiempo que enlaza

el devanado.

e(t) = -N Φ(t)

dt



Suponiendo un flujo sinusoidal de estado estacionario con frecuencia

constante ω y representado e(t) y Φ(t) por sus factores E y Φ, queda así:

E = N (j ω) Φ

Para un transformador ideal, se supone que todo el flujo queda confinado

al núcleo, enlazando a los dos devanados. Con base en la ley de Faraday,

las tensiones inducidas a través de los devanados de la figura anterior son:

E1 = N1 (j ω) Φc E2 = N2 (j ω) Φc

Dividiendo las expresiones anteriores, resulta:

E1 = N1 ó E1 = E2

E2 N2 N1 N2



Los puntos que se muestran en la figura anterior indican que las tensiones

E1 y E2, las cuales tiene sus polaridades + en los terminales con punto,

están en fase. Si se invirtiera la polaridad elegida para una de las

tensiones de la figura anterior, entonces E1 estaría 180º fuera de fase con

E2La relación de vueltas at, se define como sigue : a t = N1

N2

Si reemplazamos el valor de at en lugar de N1/N2, las relaciones básicas

para un transformador monofásico ideal de dos devanados son:

E1 = N1 E2 = at E2 I1 = N2 I2 = at I2

N2 N1

De las ecuaciones anteriores se pueden deducir dos relaciones

adicionales referentes a la potencia y la impedancia complejas, como se

indica enseguida. La potencia compleja que entra en el devanado 1 de la

figura anterior es:

S1 = V1 I1* = (at E2) I2* = E2 I2* = S2

at


CIRCUITO EQUIVALENTE PARA TRANSFORMADORES PRÁCTICOS

En la figura que se muestra es un circuito equivalente para un

transformador monofásico práctico de dos devanados, el cual difiere del

correspondiente al transformador ideal en lo siguiente:

1. Los devanados tienen resistencia.

2. La permeabilidad del núcleo, μc, es finita.

3. El flujo magnético no está confinado por completo al núcleo.

4. Se tienen pérdidas de potencia real y reactiva en el núcleo.

En la figura observamos que existe un R1 que está en serie con el

devanado 1 la cual da origen a las pérdidas I2R. También se incluye una

reactancia X1, llamada reactancia de dispersión del devanado 1, en serie

con este último para tomar en cuenta el flujo de dispersión del mismo.

3. CLASIFICACION DE TRANSFORMADORES

1. DEPENDIENDO DE LA RED DE SUMINISTRO DE ENERGÍA

Transformadores de distribución

Para montaje en postes, opera con potencias hasta de 150 kVA(kilovoltio amperio) y transformación de 13.200/390/230 Voltios.

Transformadores tipo subestaciónPara montaje sobre el piso o en plata forma especialmente construida,

opera con potencias de 225 a 2 000kVA y tensiones hasta de 34.500Voltios.

Transformadores de potenciaPara montaje sobre el piso o en plataformas especiales, opera conpotencias superiores a 2000 kVA y con tensiones hasta 115.000 Voltios.Normalmente las características técnicas están coordinadas con losrequerimientos específicos de cada proyecto


3. CLASIFICACION DE TRANSFORMADORES2. De pendiendo el número de bobinas Transformador Monofásico

Los Transformadores Monofásicos son fabricados con núcleo enrollado de tipo

acorazado, diseñados para pérdidas bajas en hierro y cobre. El tanque es

cilíndrico y su tapa es asegurada con el sistema aro-tornillo, todos los

contornos son redondeados y las superficies horizontales tienen ángulo de

declive para evitar el represamiento de agua en su interior.

Transformador Trifásico

Un sistema trifásico se puede transformar empleando 3 transformadores

monofásicos, los circuitos magnéticos son completamente independientes, sin

que se produzca reacción o interferencia alguna entre los flujos respectivos.

Otra posibilidad es la de utilizar un solo transformador trifásico compuesto de

un único núcleo magnético en el que se han dispuesto tres columnas sobre las

que sitúan los arrollamientos primario y secundario de cada una de las fases,

constituyendo esto un transformador trifásico.


3. CLASIFICACION DE TRANSFORMADORES3. Con relación al tipo de medio aislante y refrigerante

Se clasifican en:

Transformadores sumergidos en aceite

Pueden ser con ventilación natural o con ventilación forzada, ésta últimaaplicable por costos, a transformadores con potencias superiores a 2 000kVA.

Cuando por especificaciones muy particulares en el diseño o empleo serequieran sistemas especiales se pueden construir transformadores en los quepor medio de bombas exteriores el aceite circula forzadamente a través deradiadores ventilados adecuadamente.

Transformadores tipo seco

Son de fabricación especial y se caracterizan porque el núcleo y los devanados

no están sumergidos en un líquido aislante y refrigerante. Las bobinas están

fabricadas con arrollamientos de aluminio y el aislamiento está constituidopor una mezcla de resina epóxica y harina de cuarzo, siendo un material

resistente a la humedad e ignífugo (no combustible, es decir no incendiable).


4. COMPONENTES BASICOS DE UN TRANSFORMADOR


5. PARTES CONSTRUCTIVAS Estas son las partes constructivas que forman parte del transformador


Pasa-tapas de entrada: conectan el bobinado primario del transformador con lared eléctrica de entrada a la estación o subestación transformadora.

Pasa-tapas de salida: conectan el bobinado secundario del transformador con lared eléctrica de salida a la estación o subestación transformadora.

Cuba: es un depósito que contiene el líquido refrigerante (aceite), y en el cual sesumergen los bobinados y el núcleo metálico del transformador.

Depósito de expansión: sirve de cámara de expansión del aceite, ante lasvariaciones se volumen que sufre ésta debido a la temperatura.

Relé Bucholz: este relé de protección reacciona cuando ocurre una anomalíainterna en el transformador, mandándole una señal de apertura a los dispositivosde protección.

Termostato: mide la temperatura interna del transformador y emite alarmas encaso de que esta no sea la normal.

Regulador de tensión: permite adaptar la tensión del transformador paraadaptarla a las necesidades del consumo. Esta acción solo es posible si elbobinado secundario está preparado para ello.

Placa de características: en ella se recogen las características más importantesdel transformador, para que se pueda disponer de ellas en caso de que fueranecesaria conocerlas.

Grifo de llenado: permite introducir líquido refrigerante en la cuba deltransformador.

Radiadores de refrigeración: su misión es disipar el calor que se pueda produciren las carcasas del transformador y evitar así que el aceite se caliente en exceso


6. AISLAMIENTOS EN TRANSFORMADORES En su vida la mayoría de maquinas eléctricas, los transformadores dependen del

comportamiento de sus aislamientos para las condiciones normales de operación,por esta razón las asociaciones de fabricantes de equipo eléctricos han designadocuatro tipos de aislamientos:

Aislamiento Clase A:Diseñado para operar a nomás de 55°C de elevación de temperatura, para en lostransformadores tipo seco, prevenir accidentes con materiales combustibles.

Aislamiento Clase B:La Elevación de temperatura puede no exceder los 80°C en las bobinas, por logeneral son mas pequeños que los que usan aislamiento Clase A.

Aislamiento Clase F:Esta clasificación se relaciona con elevaciones de temperatura en las bobinas dehasta 115°C. Porlogeneral, corresponden a transformadores pequeños tipodistribución de hasta 25°C.

Aislamiento Clase H:Esta clase de material es aislantes permiten diseñar para elevaciones detemperatura de 150°C cuando esta operando el transformador a una temperaturaambiente de 40°C, para que alcance hasta los 190°C y con el punto mas caliente noexceda a 220°C. Los materiales aislantes de clase H son: mica, fibra de vidrio,asbestos, elastómeros y silicones o resinas a base de estos.


TIPOS DE AISLAMIENTOS DE UN TRANSFORMADOR Madera:

En electrotecnia se emplean por lo general maderas duras, como el roble y elnogal, el principal inconveniente de la madera es que es higroscópica, su rigidezdieléctrica disminuye en presencia de humedad o lluvia, puede emplearsecomo aislante contra sobre tensiones atmosféricas, sobre los postes de maderautiliza dos en líneas de distribución eléctrica.

Papel:Se fabrica con pulpa de madera o fibras vegetales, el más utilizado como papelaislante es el papel Kraft el cual puede impregnarse fácilmente, se emplea paraaislamientos de conductores y cables, para hojas laminadas y tubosimpregnados o como refuerzo en aislamientos compuestos, mediante laimpregnación del papel con barnices, aceites, resinas se consiguen variosresultados:- Se llenan los poros del papel y se tiende a eliminar la humedad.

- Aumenta la rigidez dieléctrica.

- Aumenta la resistencia al calor.

- Se reduce la tendencia a la contracción.

- Aumenta la conductividad térmica del papel, resultando de ello una mejoreliminación de calor.


Aceites minerales:Se utiliza en todas las aplicaciones electro técnicas que necesitan aceitesaislantes ( interruptores, condensadores, transformadores, etc)

La constante dieléctrica de los aceites minerales es baja, ya que ellos sonesencialmente no polares, la resistencia dieléctrica varía considerablemente conel estado de pureza; es económico en comparación con otros aceites aislantes, seinflama cuando es descompuesto por el calor o por el arco eléctrico ya que entresus productos de descomposición se encuentra el hidrógeno que reaccionaviolentamente con el oxígeno y esta reacción produce incendio y explosión.

Los aceites minerales representan el 90% del volumen de ventas de aceitesdieléctricos a nivel mundial, casi todo usado en transformadores e interruptoresde potencia.

Una cantidad menor es usada en capacitores y cables.

Una composición típica de un buen aceite dieléctrico responde a las siguientesproporciones:

-Hidrocarburos Aromáticos:4 a 7%

-Hidrocarburos Isoparafínicos:45 a 55%

-Hidrocarburos Nafténicos:50 a 60%


Aceites aislantes: Son hidrocarburos refinados de depósitos de petróleo crudo, seemplean en transformadores e interruptores por inmersión de estosequipos, además de su utilización en la fabricación de barnicesaislantes, una de las ventajas de todos los aceites aislantes es supropiedad de autoregenerarse después de una perforación dieléctrica ouna descarga disruptiva, aunque si esta es muy elevada, puedesobrecalentar el aceite provocando su combustión.

Siliconas:Pose en gran estabilidad térmica, buena inercia química, muy pequeñatensión interfacial, excelentes propiedad es dieléctricas, resistencia aloxígeno, al ozono y al efecto corona, resistencia a los agentes químicosagresivos, ausencia de envejecimiento a los agentes climatológicos yexcelente resistencia a las sobrecargas a frecuencia industrial.


7. LOS DEVANADOS DEL TRANSFORMADOR Los devanados de un transformador se pueden clasificar en Baja y Alta Tensión.

Esta clasificación tiene importancia para los efectos de la realización práctica delos devanados, debido a que los criterios constructivos para la realización de losdevanados de baja tensión son distintos a aquellos adoptados para lafabricación de los de alta tensión.

Devanados de Baja Tensión Se construyen de una espira única de conductor redondo, el conductor

redondo se usa en los de pequeña potencia con conductores de diámetro hasta3–3.5mm, el aislamiento de estos conductores puede ser algodón o papel, muyraramente con esmalte, para mediana y gran potencia se usa másfrecuentemente el conductor tipo rectangular en forma de placa conaislamiento de papel.

Devanados de Alta Tensión En los transformadores de potencia, los devanados de alta tensión con muchas

espiras y corriente relativamente baja, son conductores circulares, condiámetros máximos de 2,5 a 3,0 mm.; las bobinas de los devanados de altatensión, dependiendo de la técnica de fabricación usada y del nivel de tensión,se pueden tener de dos tipos: el tipo helicoidal, con conductores en variascapas y el Discoidal, con bobinas tipo disco “o galleta”.


8. MÉTODOS DE ENFRIAMIENTO La norma UNE EN 60076 normaliza la designación de los transformadores

según el sistema de refrigeración utilizado. Dicha representación utiliza cuatroletras, cuyo significado se recoge a continuación:

Primera letra: Medio de refrigeración interno en contacto con losarrollamientos.

O Aceite mineral o líquido aislante sintético con punto de inflamación ≤ 300ºC.

K Líquido aislante con punto de inflamación >300ºC.

L Líquido aislante con punto de inflamación no medible.

Segunda letra:

Modo de circulación del medio de refrigeración interno.

N Circulación natural por termosifón a través del sistema de refrigeración y enlos arrollamientos.

F Circulación forzada a través del sistema de refrigeración, circulación portermosifón en los arrollamientos.

D Circulación forzada a través del sistema de refrigeración, dirigida desde elsistema de refrigeración hasta al menos los arrollamientos principales.

Tercera letra: Medio de refrigeración externo.

A Aire. W Agua.26/12/2013 Profesor: Msc. César López Aguilar 27

Enfriamiento tipo ONAN: Los transformadores estándar estánprovistos de radiadores adosados a la cuba para una refrigeraciónnatural.

Enfriamiento tipo ONAF: Bajo demanda pueden suministrarse con unequipo de ventilación que funciona de modo automático.

Enfriamiento tipo OFAF: También pueden realizarse con circulaciónforzada de aceite y aire (OFAF).

Enfriamiento tipo OFWF: Mediante aero-refrigerantes o circulaciónforzada de aceite y agua (OFWF) mediante hidro-refrigerantes.


Cuarta letra:

Modo de circulación del medio de refrigeración externo.

N Circulación natural del aire exterior en las aletas.

F Circulación forzada del aire exterior, circulación por ventiladores.


9. CONEXIONES DEL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

Tres transformadores monofásicos idénticos de dos devanados se pueden

conectar para formar un banco trifásico; las cuatro maneras de conectar los

devanados son:

1.Estrella–Estrella.

2.Estrella–Delta.

3.Delta–Estrella.

4.Delta–Delta.

En la figura se muestra los arreglos

de los núcleos de los devanados.

En donde aparece marcados con la

letra H los lados de alta tensión y

con X los lados de baja tensión, el

cual esta adoptado convencional-

mente en lugares de punto de

polaridad. Pero también se puede

utilizar las marcas con las letras

ABC, UVW (Alta tensión) y abc, uvw

(Baja tensión)


En la figura se muestra una

representación esquemática del

transformador trifásico estrella–

estrella. Los devanados que están

sobre el mismo núcleo se

encuentra dibujados en paralelo y

se muestra la relación fasorial para

la operación balanceada en

secuencia positiva.

En la figura se muestra un diagrama

unifilar, se muestra en una fase de la red

trifásica, omitiéndose el conductor neutro y

con las componentes representados por

símbolos, en lugar de circuitos equivalentes.

Para el caso de un transformador estrella–estrella y delta–delta se puede

marcar y conectar de manera que no tenga desfasamiento entre el lado de

alta y baja tensión, lo que no ocurre con transformadores estrella–delta y

delta–estrella que siempre ocurre un desfasamiento



En la figura se muestra

un transformador

estrella–delta. Para lo

cual describiremos una

secuencia muy sencilla

de graficar el diagrama

fasorial de secuencia

positiva.

.


La siguiente figura muestra los circuitos equivalentes de transformadores

trifásicos.



10. PRACTICA DE AUTOCOMPROBACION

1. Defina un transformador eléctrico.

2. Mediante un esquema, indique las partes principales de untransformador.

3. Explique el mecanismo de operación de un transformador.

4. Calcular el número de espiras del devanado secundario, para untransformador de 220/110 V, si el devanado primario tiene 50 espiras

5. Explique tres diferencias entre un transformador ideal y untransformador práctico.

6. Realice tres clasificaciones de los transformadores de la UniversidadNacional del Santa

7. Cuales son los componentes básicos de un transformador, realice unesquema; cuales son los tipos de materiales correspondientes.

8. Explique las siguientes nomenclaturas para el enfriamiento detransformadores ONAN, ONAF.

9. Realice una conexión de un transformador D-Y y D-D, con las letrasUVW; dibuje su diagrama unifilar correspondiente.


10. PRACTICA DE AUTOCOMPROBACION

10. Calcular la corriente y tensión de fase del primario y del secundariode un transformador de 400 kVA y relación 13200/230 , con conexiónYD.

11. Repita lo anterior, para una conexión DY.

Recuerde, cuando no se especifica, los valores son nominales y se refierea valores de línea.

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