TRANSFORMADORES 1

3 Máquinas eléctricas estáticas Un transformador es una máquina estática en la que se conecta una fuente de CA de frecuencia f 1 a un devanado inductor (primario) y entrega energía eléctrica de CA de frecuencia f 2 a un circuito conectado al inducido (secundario) La potencia de primario y secundario son iguales Máquinas Eléctricas V 1  I 2  N 1 V 2 I 1 N 2 f 1  f 2 S 1  S 2

Transformador con pérdidas en el hierro P Fe y devanados ideales. Sin dispersión. Transformador ideal P 1  V 1 ·I 1  P 2  V 2 ·I 2 V 2  4,44 f N 2  p V 1  4,44 f N 1  p p tt  [  sen(  t)]  e 2  v 2  N 2  t  N 2  t  [  p sen(  t)] t1 t  e  v  N  N V2N2V2N2 V 1  N 1 V 1  I 2  N 1 V 2 I 1 N 2 4

Se cierra S. Aparece una f.m.m. que tiende a desmagnetizar el núcleo. Terminales correspondientes. Transformador ideal con carga N ·i '  N ·i 2 2  LL Z E II 5 1 N N2N2 i  i  i '  i  i N N ' I I I I II I I I I Máquinas Eléctricas

Transformador con pérdidas en el hierro P Fe, flujo de dispersión y resistencia en los devanados Transformador real tt i2i2 v 2  e 2  R 2 i 2  L d 2 v  e  R i  L i1i d1 t111 1d1 t V 1  E 1 V 1  N 1 V 2  E 2 V 2 N 2 6 Máquinas Eléctricas

Circuito equivalente del trafo exacto reducido al primario Circuito equivalente exacto E2N2E2N2 E1N1E1N1  E 'E ' N 'N '  E E ' V N N N N E 'E ' VV  E   1 E 222 S V ·I V '·I 'S V ·I V '·I ' I 'I ' N  N2 I N2 I  N N 2 2   N N2 N N2 R ·I 2  R ' ·I '2 R '    1  R 2''2222''2222 X 2 ·I 2  X ·I 2 Máquinas Eléctricas 2 ' 2 X N X  2 2   N1  N1   7

Circuito equivalente aproximado reducido al primario. Errores aceptables y mayor simplicidad de cálculo Máquinas Eléctricas R  R  R ' cc12 X  X  X ' cc12 Circuito equivalente aproximado 8

La potencia absorbida en vacío coincide aprox. con las pérdidas en el hierro o núcleo R ·I 2  0 Ensayo de vacío 9 P 0  V 1n ·I 0 ·cos(  0 )  P Fe I Fe  I 0 ·cos(  0 ) I   I 0 ·sen(  0 ) Fe I R  V1n V1n  Máquinas Eléctricas  I X  V1n V1n

Máquinas Eléctricas La potencia absorbida en cortocircuito coincide aprox. con las pérdidas en el cobre (devanados) I cc  I 1n  I 0 Ensayo de cortocircuito 10  V 1cc ·I 1n ·cos(  cc ) P cc 1n1n cccc I R  V 1cc cos(  ) cc 1n1n I X sen()sen()  V 1cc  X cc ·I 1n  V 1cc sen(  cc ) V Xcc  R cc ·I 1n  V 1cc cos(  cc ) V Rcc

Caída relativa de tensión Caída interna de tensión 1n1n 11 1n1n ccRccccRcc V   I 1n Z cc ·100%   I 1n R cc ·100% 1n1n XccXcc V   I 1n X cc ·100% Máquinas Eléctricas

Es la diferencia aritmética entre la tensión de salida de un transformador en vacío y en carga debido a la impedancia interna Se llama regulación a la caída de tensión interna expresada en % respecto de la tensión del secundario en vacío Caída interna de tensión 20 V c V 20  V 2   ·100% 12 1n1n 1n1n c V VV2 'VV2 '  ·100%   c  C  Rcc cos(  2 )  C  Xcc sen(  2 ) 2 Máquinas Eléctricas ' 2 2 Si la carga tiene un f.d.p. capacitivo, pueden aparecer tensiones en la carga mayores que la tensión de vacío. Efecto Ferranti  eselargumentoentre V e I

Cortocircuito a la salida en funcionamiento normal. Tensión nominal a la entrada. Falta o fallo de cortocircuito 13 cc V1nV1n I 1 falta  Z V 1n + R CC X CC I 1falta _ 1n1n cc  100 I I 1n1n V 1cc  V1n V1n I 1 falta  Máquinas Eléctricas

Pérdidas eléctricas en los devanados. Pérdidas en el Cu P Cu por efecto Joule. Ensayo de cortocircuito Pérdidas en el hierro P Fe. Histéresis y Foucault. Ensayo de vacío Pérdidas fijas P Fe y variables P cu Rendimiento ¡¡¡Sólo de la potencia activa!!!! Pérdidas y rendimiento  P0 P0 P Fe Cucc2nCucc2n I '2 P RP R 14 P Total  P pérdidas  P2P2 P2P2P2P2    V 2 ·I 2n cos  V 2 ·I 2n cos   P Fe  P Cu Máquinas Eléctricas   

Índice de carga el rendimiento en función del índice de carga Pérdidas y rendimiento 2n2n2n2n2n 2n2n 2n2 N2 N I 'I ' I 'I ' IVIVIS SVIISVII C   2   2n 2   2   2 ccCu opt P P0P0 P P Fe Pérdidas variables nominales Pérdidas fijas CC 15  P PP RP R I '2 Cucc2ncc P  RI '2  C 2 P Cucc2cc Para una corriente distinta de I 2n ccmaxmax  C2·P C2·P   P Fe  P Cu C·V ·Icos   P  C 2 ·P 22nFecc C·V 2 ·I 2n cos     Máquinas Eléctricas

Máquinas Eléctricas Corriente de excitación de una bobina con núcleo magnético. Existen armónicos 3º, 5º y 7º principalmente. La corriente de vacío es del 5% al 8% de la corriente asignada, en régimen permanente. Corriente de vacío 16

El transitorio de conexión depende del instante de conexión y puede ser que el flujo de conexión sea directamente el de régimen permanente o que llegue a ser de hasta 2,5 veces el flujo de régimen permanente. Esto, debido a la curva de imanación produce corrientes de 5 a 8 veces la corriente asignada. Produce fuerzas electrodinámicas en los conductores de 5 2 a 8 2 veces las nominales. Las protecciones deben soportar estos transitorios sin desconectar. Máquinas Eléctricas Corriente de conexión 17

Se pueden emplear tres trasformadores monofásicos. Antieconómico. Se puede reducir a un transformador de 3 columnas. Transformadores trifásicos 18 Máquinas Eléctricas

La columna central tiene menos reluctancia. Las corrientes de vacío será distintas en cada rama. Esta asimetría será despreciable en carga. Se considerará cada columna como un transformador monofásico. Magnitudes y relación de transformación en valores de fase para cada fase. Máquinas Eléctricas Transformadores trifásicos 19

Máquinas Eléctricas Se conectan en estrella (con hilo de neutro o no) en triángulo y en zig-zag Designación habitual de terminales, mayúsculas para el lado de A.T. y minúsculas para el lado de B.T. (ABC, RST, UVW) y de conexiones Yy, Dd, Zz Tipos de conexiones 20

En función de la conexión habrá desfases entre las tensiones de línea de primario y secundario. Índice horario. Método de representación gráfica de este desfase expresado en múltiplos de 30º. Ángulos positivos son los de retraso del lado de menor tensión (B.T.) respecto del de mayor tensión (A.T.) Tipos de conexiones E2E2 E1E1 E3E3 N Máquinas Eléctricas 3 E  E   120º 1 E 2  E   120º E  E  0º Aplicando el convenio de índice horario E 2 tendría un índice 4 (30º·4 = 120º) respecto de E 1, y E 3 un índice 8 (30º·8=240º) 21

Proceso de determinación de la conexión. Tipos preferidos Se representan las tensiones (f.e.m.) de fase del devanado primario. Si está en triángulo o zig-zag, se representa su estrella equivalente equilibrada Se representan las tensiones (f.e.m.) de fase del devanado secundario. Los devanados en la misma columna producen tensiones en fase. Se superponen los diagramas. El ángulo horario es el que forman los dos vectores A-centro y a-centro. Máquinas Eléctricas Tipos de conexiones Conexión Dy 11 22

Conexiones de transformadores trifásicos Máquinas Eléctricas Conexión Yy. Menos tensión y más corriente por los devanados que en D. Más rigidez mecánica. Bueno para A.T. Desequilibrio de tensiones con carga desequilibrada. Terceros armónicos de tensión. Conexión Yd. No tiene armónicos de tensión y trabaja bien con cargas desequilibradas. Las tensiones del secundario están desfasadas 30º de las del primario. Trafos de A.T. reductores al final de línea. 23

Conexiones de transformadores trifásicos Máquinas Eléctricas Conexión Dy. Igual que Yd. Para trafos elevadores de A.T. por igual razones que Yy. Para trafos de distribución con la y en el lado de baja, para poder conectar cargas monfásicas. El primario en D, tiende a compensar los desequilibrios de carga Conexión Dd. Para transformadores de B.T., porque usan más espiras de menor sección que las conexiones Y. Bien ante cargas desequilibradas Conexión Yz. Para B.T. en distribución. Neutro accesible, bueno para desequilibrios pero necesita más material 24

Acoplamiento en paralelo Ante aumento de demanda o fuertes variaciones estacionales de carga es más rentable tener varios trafos en paralelo que uno grande. Deben tener el mismo índice horario y la misma relación de transformación. 25 Máquinas Eléctricas

Acoplamiento en paralelo Deben tener idénticas tensiones relativas de cortocircuito ε cc para que el reparto de carga sea proporcional a las potencias de cada transformador. Los índices de carga deben ser iguales. Son admisibles diferencias del 10% y relaciones de potencias 3:1 Z ccI I In 100  I II Z ccII I IIn 100 I In V 1n I IIn V 1n I Z ccI I I  Z ccII I II ccII IIn ccI In I I  I II I  C I  ccI  C II  ccII 26 Máquinas Eléctricas

Autotransformadores Un solo devanado se utiliza como primario y secundario. Transferencia de energía por acoplamiento magnético y por conexión eléctrica. Ahorro de hierro y cobre, menores pérdidas, mayor rendimiento. Baja tensión relativa de cortocircuito ε cc y falta de aislamiento galvánico. V 1  I 2  N 1 V 2 I 1 N 2 Máquinas Eléctricas 27

Transformadores con tomas Un transformador con varias derivaciones o tomas que se conmutan para regular la tensión de salida a intervalos discretos En función de la aplicación las tomas pueden ir en el lado de A.T. o de B.T. 28 Máquinas Eléctricas

Transformadores de medida Transformadores para adaptar los niveles de tensión a los aparatos de medida. Transformadores de corriente. Se conectan en serie con la línea y el secundario en serie con el amperímetro. Diseñados para bajas inducciones ya que el amperímetro es casi un cortocircuito. No dejar abiertos, se queman. 29 Máquinas Eléctricas

Transformadores de medida Transformadores de tensión. Deberán tener pocas caídas de tensión internas para reproducir fielmente la tensión de medida. Baja inductancia de dispersión, baja corriente de vacío. 30 Máquinas Eléctricas

Aspectos constructivos Transformadores monofásicos 31 Máquinas Eléctricas

Transformadores trtifásicos Máquinas Eléctricas Aspectos constructivos 32

Sección Apilamiento Aspectos constructivos Máquinas Eléctricas 33