Máquinas Eléctricas I: Transformador, Conceptos Básicos.

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1 Máquinas Eléctricas I: Transformador, Conceptos Básicos.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Máquinas Eléctricas I: Transformador, Conceptos Básicos. Profesor: Miguel Morales

2 TRANSFORMADOR CONCEPTOS BÁSICOS, CONTENIDOS
Generalidades. Origen. Núcleo. Devanados. Sistema de refrigeración. Aisladores pasantes y otros elementos. Placa de características del trafo.

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7 TRANSFORMADOR, GENERALIDADES
Máquina eléctrica estática. Funciona con corriente alterna. Constituida por dos arrollamientos: primario y secundario. Permite transformar energía eléctrica, con unas magnitudes V – I determinadas, a otras con valores en general diferentes. Con su implementación se ha logrado el gran desarrollo en la utilización de la energía eléctrica, haciendo posible la realización práctica y económica del transporte de la energía a grandes distancias. De acuerdo a su conexión en los sistemas de potencia se clasifican en: Transformadores de potencia Transformadores de medida: 2.1 Transformadores de corriente 2.2 Transformadores de tensión T1 T2 T3

8 TRANSFORMADOR, ORIGEN Michael Faraday Inglés (Londres) (1791–1867) Químico y Experimentador electricista Doctorado honorífico por la Universidad de Oxford, Experimentador sin ninguna educación formal, comenzó su carrera de investigador en el Royal Institute en Londres como ayudante de laboratorio. Intrigado por la interacción entre los efectos eléctricos y magnéticos, descubrió la inducción electromagnética y demostró que un campo magnético puede generar efectos magnéticos (el nacimiento del generador tal como los conocemos en la actualidad). También descubrió las corrientes autoinducidas y presentó el concepto de líneas y campos de fuerza magnética. Habiendo recibido más de un centenar de honores académicos y científicos, llegó a ser miembro de la Royal Society en 1824 a la temprana edad de 32 años. Hay qué destacar que un científico americano Joseph Henry (1797 – 1878) descubrió este mismo efecto el mismo año que Faraday pero sin tenerse conocimiento de ello en Europa.

9 TRANSFORMADOR, PRINCIPALES ASPECTOS CONSTRUCTIVOS
Núcleo Devanados Sistema de refrigeración Aisladores pasantes y otros elementos Placa de características del trafo

10 TRANSFORMADOR, NÚCLEO Sistema que forma el circuito magnético del trafo. Constituido por chapas magnéticas de 0.3 a 0.5 mm de espesor, de acero al silicio del 2% al 4% de este último, con pérdidas que oscilan entre 1.1 a 1.6 Watts/Kg. Las chapas están laminadas en frio (grano orientado), son sometidas a un tratamiento químico especial, carlite, que las recubre de una capa aislante muy delgada (0.01 mm). Constituido por columna, yugo o culata y ventanas del núcleo. En construcción de transformadores monofásicos existen dos tipos básicos: Tipo núcleo: 1.1 Laminado 1.2 Arrollado 2. Tipo acorazado: 2.1 Núcleo acorazado 2.2 Núcleo distribuido Culata Columnas Ventana de núcleo

11 Uniones o juntas de las chapas de los núcleos
TRANSFORMADOR, NÚCLEO Tipo Núcleo Laminado Uniones o juntas de las chapas de los núcleos 𝜱 𝜱 𝜱 Pares Impares Uniones a tope o planas Uniones al solape o entrelazadas Tipo Núcleo Arrollado

12 TRANSFORMADOR, NÚCLEO Tipo Núcleo Acorazado Tipo Núcleo Distribuido

13 Cruciforme de escalones 1 kVA 10 kVA 100 kVA 1000 kVA
TRANSFORMADOR, NÚCLEO Sección del Núcleo Cuadrada Cruciforme Cruciforme de escalones 1 kVA 10 kVA 100 kVA 1000 kVA 7 16 10 d=100 53 42 36 14 12 9 71 d c b a c=0.423*d b=0.707*d a=0.906*d

14 TRANSFORMADOR, NÚCLEO En la industria nacional: Acero al silicio de grano orientado, ARMCO tipo M – 4 de 0.11 pulgadas de espesor.

15 TRANSFORMADOR, DEVANADOS
Constituyen el circuito eléctrico del transformador. Hechos de conductores de cobre, en forma de hilos redondos (diámetros inferiores a 4 mm) o de sección rectangular (pletinas de cobre) para secciones mayores. Los conductores están recubiertos por una capa aislante, que suele ser de barniz en los pequeños transformadores y que en el caso de pletinas está formada por una o varias capas de fibra de algodón o cinta de papel.

16 TRANSFORMADOR, DEVANADOS
10 MVA

17 TRANSFORMADOR, DEVANADOS
A. T. A. T. B. T. B. T. Devanados concéntricos Devanados alternados

18 TRANSFORMADOR, SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Transformadores en seco. Transformadores en baño de aceite mineral. El aceite cumple funciones de refrigerante y de aislante ya que posee una capacidad térmica y una rigidez dieléctrica superior a la del aire. La eliminación del calor se realiza por radiación y convección natural.

19 TRANSFORMADOR, SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
El aceite mineral procede de un subproducto de la destilación fraccionada del petróleo y con el tiempo puede experimentar un proceso de envejecimiento. Lo anterior indica que el aceite se oxida y polimeriza formando lodos. El proceso de envejecimiento es activado por la temperatura, la humedad y el contacto con el oxígeno del aire. El aceite presenta una disminución de sus propiedades aislantes y refrigerantes. Para atenuar este efecto suelen añadirse al aceite productos químicos inhibidores, y también se dota a la cuba de un depósito de expansión o conservador colocado en la parte alta del transformador. Funciones del conservador: Mantener la cuba principal llena de aceite. Absorber las dilataciones del aceite al calentarse.

20 TRANSFORMADOR, SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Inconvenientes del aceite mineral: Es inflamable. Sus vapores, en ciertas condiciones, forman con el aire mezclas explosivas. Evolución de los aceites: Aceite mineral (hidrocarburos puros), hasta 1932. Aceites sintéticos (hidrocarburo aromático clorado), Askarel, desde 1932, no es inflamable ni explosivo, pyranol, piraleno, inerteen, entre otros. A partir de la década de los ochenta se ha prohibido el uso del pyraleno en la construcción de nuevos transformadores. Aceites de siliconas, que representan un nuevo avance tecnológico para intentar aunar las misiones aislantes y refrigerantes con un reducido impacto ambiental. Desde el inicio de la década de 1980 se construyen transformadores secos encapsulados en resinas epoxi. Denominación Densidad [Kg/cm3] Conductividad térmica [W/m °C] Permitividad dieléctrica relativa Rigidez dieléctrica [kV/cm) Hidrocarburos puros 900 0.16 2.2 200 Pyralenos 1820 0.01 4.5 290 Aceite de silicio 960 0.15 2.56 200 a 300 Aire 1293 0.024 1 32

21 TRANSFORMADOR, SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
En transformadores de distribución menores 200 kVA ⟶ Sumergidos en aceite En transformadores mayores 200 kVA ⟶ radiadores externos A medida que se incrementa la potencia del trafo se agregan ventiladores adecuados para suministrar aire sobre los radiadores. Los transformadores del orden de MVA se puede enfriar mediante intercambiadores de calor aceite – agua. Símbolos para señalar la naturaleza del refrigerante y su modo de circulación Naturaleza del refrigerante Símbolo Naturaleza de la circulación Aceite Mineral O Natural N Pyraleno L Forzada F Gas G Agua W Aire A Aislante sólido S

22 TRANSFORMADOR, SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

23 TRANSFORMADOR, SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

24 TRANSFORMADOR, SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Tipos de enfriamiento para transformadores sumergidos en aceite Tipo de enfriamiento Definición OA Enfriamiento natural, el aceite aislante circula por convección natural dentro de un tanque de paredes lisas o corrugadas o bien con tubos radiadores. Se adopta para más de 50 kVA con voltajes mayores a 15 kV. OA/FA Sumergido en líquido aislante con enfriamiento natural y por aire forzado. Este tipo de transformadores es básicamente una unidad OA a la cual se le han agregado ventiladores para aumentar la disipación del calor en las superficies de enfriamiento y por lo tanto, aumentar los kVA de salida. OA/FA/FOA Sumergido en líquido aislante con enfriamiento natural, aire forzado, aceite forzado – aire forzado. .con este tipo de enfriamiento se trata de incrementar el régimen de operación (carga) del transformador tipo OA por medio del empleo combinado de bombas y ventiladores. Se fabrican en capacidades de kVA monofásicos 5000 kVA trifásicos. FAO Enfriamiento por aceite forzado con enfriadores de aire forzado. Pasa por cambiadores de calor o radiadores de aire y aceite colocados fuera del tanque. Su diseño está destinado a usarse únicamente con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando continuamente. OW Enfriamiento por agua. Cambiador de calor tubular fuera del tanque, el agua circula en el interior de los tubos y drena por gravedad o por bomba independiente. Aceite en contacto con la superficie exterior de los tubos. FOW Aceite forzado con enfriadores de agua forzada. Es prácticamente igual que el FOA, el cambiador de calor es modelo agua – aceite y por lo tanto el enfriamiento del aceite se hace por medio de agua sin tener ventiladores.

25 TRANSFORMADOR, SISTEMA DE REFRIGERACIÓN
Tipos de enfriamiento para transformadores secos Tipo de enfriamiento Definición AA Enfriamiento natural, el aire es el medio aislante. Para capacidades menores de 2000 kVA y voltajes menores a 15 kV. AFA Enfriamiento por aire forzado permanente. Contiene un ventilador que empuja el aire en un ducto colocado en la parte inferior del transformador. AA/FA Enfriamiento natural y con enfriamiento por aire forzado, se le adicionan ventiladores de funcionamiento selectivo.

26 TRANSFORMADOR, AISLADORES PASANTES Y OTROS ELEMENTOS
Aisladores o pasatapas de A. T. y B. T. B. T. A. T.

27 TRANSFORMADOR, AISLADORES PASANTES Y OTROS ELEMENTOS
Relé Buchholz

28 TRANSFORMADOR, AISLADORES PASANTES Y OTROS ELEMENTOS
Relé Buchholz Flotador de alarma. Flotador de desconexión. Llave de evacuación de gases. Llave de vaciado. Mirilla de observación

29 TRANSFORMADOR, AISLADORES PASANTES Y OTROS ELEMENTOS
Relé Buchholz

30 TRANSFORMADOR, PLACA DE CARACTERÍSTICAS

31 TRANSFORMADOR, PLACA DE CARACTERÍSTICAS

32 TRANSFORMADOR

33 Partes esenciales del transformador
1. Cuba del transformador 2. Tubos radiadores 3. Núcleo (circuito magnético) Devanados Relé de protección Buchholz Tanque conservador Indicador del aceite Tubo de escape en caso de explosión Aisladores devanado A.T. Aisladores devanado B.T. Termómetro Conexión de los tubos radiadores del tanque Tornillos opresores para dar rigidez al núcleo Base para transporte. Refrigerante

34 BIBLIOGRAFÍA Chapman, Stephen J. “Máquinas Eléctricas“ Cuarta Edición Mc Graw-Hill Int, México. 2005 IEEE Std 115 – 1983 , IEEE Guide Test Procedures for Synchronous Machines. Johnson & Phillips Ltd, Newnes, “The J & P Transformer Book” Decima Segunda Edición, Gran Bretaña. 1998 Mora, M. Pedro “Maquinas Eléctricas y Transformadores Ed. ULA, Mérida, Venezuela. 1987 Mora, Jesus Frayle “Máquinas Eléctricas” Quinta Edición Mc Graw-Hill Int, España. 2003