Dimensionamiento Dimensionamiento de un Transformador Cuando Alimenta Cargas No Lineales.
II. TRANSFORMADOR A. Funcionamiento y representación representación
Un transformador es una máquina estática de corriente alterna, que permite variar alguna función de la corriente como el voltaje o la intensidad; para lograrlo, transforma la electricidad que le llega al devanado de entrada en Cristhian Eduardo Molina Celis magnetismo para volver a transformarla en electricidad, 20142007109 en las condiciones deseadas, en el devanado secundario; Grupo 743 físicamente, la transformación se efectúa porque al Universidad Distrital Francisco Jóse de Caldas alimentar una f.e.m. de C. A. al primario de un Facultad de Ingeniería, Ingeniería Eléctrica transformador, se produce una corriente alterna variable Octubre de 2016 en magnitud y polaridad, lo que provoca en el núcleo un
[email protected] flujo variable que aumenta senoidalmente en una dirección, se reduce hasta desaparecer; aumenta en Resumen - En este documento se presenta en primera dirección contraria hasta un máximo y se vuelve a instancia un breve acercamiento conceptual acerca reducir hasta anularse; repitiéndose esto periódicamente. del transformador y las cargas no lineales, causas y consecuencias de estas; para después explicar cómo se comporta dicho instrumento al interactuar con estas cargas y cómo dichas cargas actúan directamente en el aumento de pérdidas dentro del transformador y en su vida útil.
Palabras Clave – Transformador, cargas no lineales, corrientes parásitas, pérdidas.
I. INTRODUCCIÓN Anteriormente en los procesos de diseño y operación de sistemas eléctricos sólo se tomaban en cuenta las cargas lineales, debido a que las que no lo eran representaban una parte muy pequeña respecto al volumen total de la carga lo cual las hacia irrelevantes dentro de dichos procesos. Con la revolución re volución de la electrónica, que surgió como una respuesta a la necesidad de mejorar el aprovechamiento de la energía eléctrica, la eficiencia de los equipos eléctricos mejoro notablemente, pero originó la aparición de cargas electrónicas, tales como: computadores, equipos UPS, acondicionamiento de velocidad variable para motores, entre otras; las cuales son en su mayoría son cargas no lineales, que pueden ocasionar el deterioro de la calidad de la energía que se entrega por parte de las compañías generadoras, además de alcanzar una gran importancia dentro de los diseños anteriormente nombrados obligándonos ahora a tenerlas en cuenta.
Figura 1. Representación de un transformador ideal. [1]
III. CARGAS NO LINEALES A. Definición y representación
Una carga no lineal es aquella que produce corrientes de forma diferente a las sinusoidales, es decir, son corrientes que además de generar la componente fundamental, contienen otras que son múltiplos enteros de la fundamental y que reciben el nombre de armónicos; además de esto, en las cargas no lineales la corriente de carga no es proporcional al voltaje, es decir, que la relación entre tensión y corriente no se puede escribir como una ecuación o un sistema lineal.
Perturbaciones en las redes de comunicación y en las líneas telefónicas. Disminución de la vida útil de aparatos eléctricos.
D. Corrientes parásitas
Las corrientes parásitas son corrientes que se crean por el incremento de las fugas de flujo que se produce al incrementar la carga, dichas cargas dependen más de las intensidades de corriente en los devanados que de la magnitud del flujo principal en el núcleo. Aunque las pérdidas por cargas parásitas varían aproximadamente como los cuadrados de las intensidades de corriente en los devanados, la determinación precisa de las corrientes parásitas adicionales producidas por las cargas no lineales es muy difícil ya que esto depende del diseño y construcción del transformador.
Figura 2. Representación de una carga no lineal con sus armónicos de orden 3 y 5 que tendrán una frecuencia 3 y 5 veces mayor a la de la onda principal. [2]
B. Causas de la presencia de armónicos
Las corrientes de carga no lineales no son sinusoidales, y aun cuando la fuente de voltaje sea una onda sinusoidal perfecta, las cargas no lineales distorsionarán esta onda de voltaje haciéndola no sinusoidal; dichas cargas son las generadoras de los armónicos, los cuales tienen como una impedancia no constante. Las principales causas de la presencia de armónicos en las instalaciones son: Los variadores electrónicos para motores son una de las principales causas de formación de armónicos en la industria.
IV. CARGAS NO LINEALES EN UN TRANSFORMADOR Cuando hablamos de la influencia de cargas no lineales sabemos que los transformadores son el componente de mayor interés en este tema, porque estos componentes son los que más sufren con la presencia e interacción de dichas cargas.
Como causa principal de voltajes no lineales sobre un transformador tenemos la producción extra de pérdidas en el núcleo, ocasionando un deterioro en el aislamiento; lo cual es un gran problema debido a que la vida útil de un transformador, al igual que casi todas las máquinas eléctricas, está relacionada directamente con la vida del aislamiento.
Equipo industrial, soldadura, hornos de arco, hornos de inducción, rectificadores, etc. Equipos para oficina Fotocopiadoras, etc.)
(Ordenadores,
Electrodomesticos (Televisiones, Microondas, Iluminación fluorescente)
Por otro lado, sabemos que en un transformador con carga nominal y corriente sin armónicos se deben respetar las sobreelevaciones de temperatura indicadas por las normas, pero cuando el transformador interactúa con corrientes no lineales, estas, provocan pérdidas extras y mayor calentamiento en los conductores y en partes del transformador conectadas con el flujo, ocasionando que el punto máximo de calentamiento en los bobinados se pueda igualar o sobrepasar, afectando directamente la vida útil del transformador.
C. Consecuencias de la presencia de armónicos
Además de la frecuencia, los armónicos se caracterizan por su amplitud de onda, dichas características generan en la onda principal una mayor distorsión en cuanto a su amplitud, ocasionado graves problemas en el funcionamiento de las instalaciones eléctricas, como lo son, entre otras más:
Pérdida de rendimiento de los motores y transformadores.
Basándonos en lo anterior debemos saber que las propiedades no lineales de una carga se pueden representar convenientemente mediante la 2
descomposición de sus ondas distorsionadas de voltaje y/o corriente usando las Series de Fourier:
Pa = Otras pérdidas adicionales.
En los transformadores actuales las pérdidas por corrientes parásito más las pérdidas de dispersión cubren aproximadamente el 0.5% de la potencia nominal, mientras que las pérdidas PR abarcan aproximadamente el 1.5% de la potencia nominal. Donde:
Se sabe que en el transformador, como en la mayoría de las máquinas eléctricas, la distribución de temperatura no es uniforme, ocasionando que se genere mayor deterioro y envejecimiento en aquellas regiones que están sometidas a una mayor temperatura en un determinado tiempo; haciendo necesario el control de las cargas no lineales en cuanto a su relación con el transformador, para asegurar así una posible prolongación de la vida útil del mismo.
a0, bn, an Son conocidos como coeficientes trigonométricos de Fourier, y a0 es el valor DC de la señal. n = 1,2,3,4,….
Son los armónicos de la
señal.
Por otra parte debemos tener presente que en los transformadores, realmente hablando, manejamos pérdidas, tanto en el circuito magnético como en el circuitos eléctrico, que están compuestas por: a) pérdidas en el vacío y b) pérdidas en la carga. Esta última se dubdivide en las pérdidas Joule (I2R) y
V. CONCLUSIONES La aparición de cargas no lineales dentro de los procesos de diseños y operación de sistemas eléctricos, que llegaron como consecuencia de la revolución electrónica, generó un nuevo reto dentro de la ingeniería eléctrica de cara a la contención de consecuencias, búsqueda de nuevas soluciones y fortalecimiento de las ya existentes, para enfrentar y reducir el radio de impacto que genera dicho fenómeno.
pérdidas adicionales; dichas pérdidas Joule (I 2R), se dan cuando la corriente directa pasa através de los bobinados conductores del transformador, donde R es la resistencia DC en los bobinados; mientras que las llamadas “pérdidas adicionales”, surgen cuando : 1)el conductor metálico conectado con el flujo electromagnético experimenta un voltaje interno inducido generando corrientes parásito, que fluirán por dicho conductor, las cuales producirán pérdidas que son dicipadas en forma de calor produciendo un incremento de la temperatura en el conductor y elementos próximos; y 2)el efecto peculiar en los conductores y circuitos en paralelo que genera pérdidas en el devanado.
El más grande efecto de las cargas no lineales es el crear considerable distorsión armónica en el sistema, estas corrientes armónicas causan excesivo calentamiento en el núcleo de hierro magnético de los transformadores, generando mayores pérdidas en el rendimiento de este instrumento y reduciendo su vida útil.
Las perdidas totales entonces serán:
En este documento también se expresó la relación que tienen las cargas no lineales con el suministro de energía eléctrica residencial, debido a que estas cargas generan deterioro en la calidad de energía que se entrega por parte las compañías generadoras, reiterando la necesidad de buscar estrategias para lograr que el funcionamiento interno de los aparatos electrónicos se logre con corrientes tipo senoidal, ya que con esto se lograría reducir la contaminación armónica introducida en las líneas de suministro eléctrico y reducir el consumo de potencia, lo cual sería beneficioso para los productores de electricidad y para los usuarios que la consumen.
Donde:
Pc = Pérdidas en la carga.
P = Componente (I2R) de las pérdidas en la carga.
Pd = Pérdidas adicionales en los devanados.
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VI. REFERENCIAS [1] «catedra.ing,unlp.edu.ar,» unlp, 23 09 2016. [En línea]. Available: http://catedra.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/sispot/Libros%202007/libros/cme/vol-10/2capit20/cap20.htm. [Último acceso: 1 10 2016]. [2] M. A. Mora Barajas y P. Bañuelos Sánchez, «Scielo (Ingeniería, investigación y tecnología),» 04-06 2010. [En línea]. Available: http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S140577432010000200006. [Último acceso: 25 09 2016]. [3] J. Vaello, «Automatismo Indistrial,» [En línea]. Available: https://automatismoindustrial.com/0-21-lascorrientes-armonicas/. [Último acceso: 20 09 2016]. [4] Morera, Xavier Alabern; Coderch, Lluís Humet;, ELECTROTECNIA: circuitos magnéticos y transformadores, Barcelona: Edicions UPC, 2007. [5] E. S. d. M.I.T, Circuitos magnéticos y transformadores, Barcelona: Reverté, 2003. [6] Damjanovic, Aleksandar ; Integlia, Ryan; Sarwat, Arif;, «Evaluation of Power Transformer Loses Measurements Methods Under Nonlinear,» IEEE, nº PSEC- 0022, p. 5, 2016. [7] Roasto, Indrek ; Romero Cadaval, Enrique ; Martins, Joao ; Jalakas, Tanel ;, «Active Power Electronic Transformer as a Power,» IEEE, p. 6, 2013. [8] Itsuo Samesima, Milton; Resende, Jose Wilson; Simone Cristina Nunes Araújo, Simone Cristina ;, «Analysis of transformer loss of life driving nonlinear industrial loads by the finite elements approach,» IEEE, p. 5, 1995. [9] J. H., Harlow; C J. , LaPlace;, «Estimation of Loss of Life of Power Transformers Supplying Nonlinear Loads,» IEEE, nº 692-0, p. 3, 1985. [10] Herrera, Juan Carlos, “Dete rminación de la potencia de transformadores para alimentar cargas no lineales”, Tesis M.S. Fac.
Ing. Eléctrica., Osaka Univ., Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador, 1997.
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