Diseño y principio de funcionamiento de los transformadores de potencia

Aparato eléctrico que tiene dos, tres o más devanados, instalado estáticamente en una red eléctrica. Un transformador de potencia varía la tensión y la corriente alternas sin desviación de frecuencia. El convertidor utilizado en la fuente de alimentación secundaria se denomina dispositivo reductor. Las estructuras de refuerzo aumentan la tensión y se utilizan en líneas de transmisión de alta tensión con gran potencia, capacidad y capacidad.

Aplicaciones

Los transformadores de potencia forman parte de los equipos utilizados para generar electricidad. Las centrales eléctricas utilizan energía atómica, fósil, sólida o líquida, funcionan con gas o utilizan energía hidráulica, pero los transformadores de salida de las subestaciones son esenciales para el funcionamiento normal de las líneas de consumo y producción.

Las unidades se instalan en las redes de plantas industriales, empresas rurales, complejos de defensa y explotaciones de petróleo y gas. La finalidad directa de un transformador de potencia -bajar y subir la tensión y la corriente- se utiliza para el funcionamiento de los transportes, las viviendas, las infraestructuras comerciales y las instalaciones de distribución de la red.

Principales partes y sistemas

La tensión de alimentación y la carga se conectan a los casquillos situados en un bloque de terminales interior o exterior. El contacto se fija con pernos o conectores especiales. En las unidades llenas de aceite, los casquillos están dispuestos en el exterior, en los laterales del depósito o en la tapa de la carcasa extraíble.

La transferencia de los devanados internos se realiza mediante amortiguadores flexibles o varillas roscadas de metales no ferrosos. Los transformadores de potencia y sus recintos están aislados de los montantes con una capa de porcelana o plástico. Los huecos se eliminan mediante juntas de material resistente al aceite y a los líquidos sintéticos.

Los refrigeradores reducen la temperatura del aceite de la zona superior del depósito y la transfieren a la capa inferior lateral. La unidad de refrigeración de un transformador de potencia alimentado por aceite está representada por:

• un circuito externo que elimina el calor del medio;
• Un circuito interno que calienta el aceite.

Hay diferentes tipos de neveras:

• radiadores - un conjunto de canales planos soldados en el extremo, dispuestos en placas para comunicar entre los colectores inferior y superior;
• Tanques corrugados - se instalan en unidades de baja y media potencia y son tanto el tanque de descenso de temperatura como el tanque de trabajo con paredes plegadas y la caja de fondo;
• Ventiladores: se utilizan en grandes unidades transformadoras para la refrigeración forzada de la corriente de aire;
• Intercambiadores de calor: se utilizan en grandes unidades de bombeo de fluidos sintéticos, ya que la organización de la circulación natural requiere mucho espacio;
• unidades agua-aceite - intercambiadores de calor tubulares de tecnología clásica;
• Bombas de circulación: diseños herméticos con motor totalmente sumergido sin empaquetadura.

Los equipos de transformación de tensión están dotados de reguladores para modificar el número de bobinas en funcionamiento. La tensión secundaria se modifica mediante un interruptor en el número de bobinas o se ajusta mediante una conexión de pernos con la elección de la disposición de los puentes. Así es como se conectan los cables de un transformador conectado a tierra o sin tensión. Los módulos de control convierten las tensiones en rangos pequeños.

Según las condiciones, los reguladores de tensión se dividen en tipos:

• unidades que funcionan cuando la carga está apagada;
• elementos que funcionan cuando el devanado secundario está en cortocircuito con la resistencia.

Adjunto

El relé de gas se encuentra en la línea de conexión entre el depósito de expansión y el de servicio. El dispositivo evita la descomposición de los orgánicos aislantes, el aceite cuando se sobrecalienta y los daños menores en el sistema. El dispositivo responde a la gasificación en caso de mal funcionamiento, emite una alarma o apaga completamente el sistema en caso de cortocircuito o nivel de líquido peligrosamente bajo.

Los termopares se colocan en la parte superior del tanque en bolsas para medir la temperatura. Trabajan según el principio del cálculo matemático para identificar la parte más cálida de la unidad. Los sensores modernos se basan en la tecnología de la fibra óptica.

La unidad de regeneración continua se utiliza para la recuperación y purificación del petróleo. Produce escoria y aire en la masa de aceite. Hay dos tipos de unidades de regeneración:

• Unidades de termosifón que utilizan el movimiento natural ascendente de las capas calentadas y pasan por un filtro, para luego bajar las corrientes enfriadas al fondo del tanque;
• Las unidades de adsorción de calidad hacen pasar el aceite a través de los filtros con una bomba, están situadas por separado en la base y se utilizan en circuitos de convertidores sobredimensionados.

Los módulos de protección de aceite son un depósito de expansión de tipo abierto. El aire por encima de la superficie de la masa pasa a través de desecantes de gel de sílice. El agente adsorbente se vuelve de color rosa cuando la humedad es máxima, lo que sirve de señal para sustituirlo.

En la parte superior del expansor se instala un sello de aceite. Se trata de un dispositivo de reducción de la humedad del aire que funciona con aceite seco del transformador. Se conecta al depósito de expansión mediante una toma de corriente. En la parte superior se suelda un recipiente con separación interna en forma de varias paredes en forma de laberinto. El aire fluye a través del aceite, absorbe la humedad, luego se limpia con gel de sílice y fluye hacia el conservador de aceite.

Dispositivos de control

El dispositivo de alivio de presión evita un aumento de presión de emergencia debido a un cortocircuito o a una descomposición grave del aceite y se proporciona en el diseño de las unidades de servicio pesado de acuerdo con GOST 11677-1975. El dispositivo está diseñado como un tubo de descarga inclinado hacia la cubierta del transformador. En el extremo hay un diafragma sellado que puede desplegarse instantáneamente y permite el paso del escape.

Además, se instalan otros módulos en el transformador:

1. Los sensores de nivel de aceite en el depósito, equipados con un dial o realizados en forma de tubo de vidrio de vasos comunicantes, se colocan en el extremo del expansor.
2. Los transformadores incorporados se colocan en el interior de la unidad o cerca de la manguera de puesta a tierra en el lado de los casquillos o en las barras de baja tensión. En este caso no es necesario un gran número de inversores separados en la subestación con aislamiento interno y externo.
3. El detector de impurezas y gases combustibles detecta el hidrógeno en la masa de aceite y lo expulsa a través de la membrana. El dispositivo muestra el grado inicial de gaseo antes de que la mezcla concentrada haga actuar el relé de control.
4. El caudalímetro controla la pérdida de aceite en las subestaciones que funcionan según el principio de reducción forzada de la temperatura. El dispositivo mide la diferencia de altura y determina la presión a ambos lados del obstáculo que surge en el flujo. En las unidades refrigeradas por agua, los caudalímetros leen el consumo de humedad. Los elementos están provistos de una alarma en caso de fallo y de un dial para la lectura de los valores.

Principio de funcionamiento y modos de operación

El transformador simple está equipado con un núcleo de permalloy, ferrita y dos devanados. El circuito magnético incluye un conjunto de elementos de cinta, placa o molde. Mueve el flujo magnético generado por la electricidad. El principio de un transformador de potencia es convertir los valores de corriente y tensión por medio de la inducción, mientras la frecuencia y la forma de las partículas cargadas permanecen constantes.

En los transformadores elevadores, el circuito implica una tensión secundaria mayor que la de la bobina primaria. En los reductores, la tensión de entrada es superior a la de salida. La bobina con los devanados en espiral se coloca en el recipiente de aceite.

Cuando se conecta la corriente alterna, se produce un campo magnético alterno en la bobina primaria. Se cierra sobre el núcleo y afecta al circuito secundario. Se genera una fuerza electromotriz que se transmite a las cargas conectadas a la salida del transformador. Hay tres modos de funcionamiento:

1. El ralentí se caracteriza por el estado abierto de la bobina secundaria y la ausencia de corriente en los devanados. La electricidad en vacío fluye en la bobina primaria a un 2-5% del valor nominal.
2. El funcionamiento de la carga tiene lugar con la fuente de alimentación y los consumidores conectados. Los transformadores de potencia presentan la energía en dos devanados, el funcionamiento en esta regulación es común para la unidad.
3. Cortocircuito, en el que la resistencia de la bobina secundaria sigue siendo la única carga. Este modo permite detectar las pérdidas para calentar los devanados del núcleo.

Modo de reposo

La electricidad en la bobina primaria es igual a la corriente alterna magnetizante y la corriente secundaria es nula. La fuerza electromotriz de la bobina primaria en el caso de un núcleo ferromagnético sustituye completamente la tensión de la fuente y no hay corrientes de carga. El funcionamiento en vacío revela las pérdidas de conmutación instantáneas y las corrientes parásitas, y determina la compensación de la potencia reactiva para mantener las tensiones de salida necesarias.

En una unidad sin conductor ferromagnético no hay pérdida de cambio de campo magnético. La corriente en vacío es proporcional a la resistencia del devanado primario. La capacidad de resistir el paso de los electrones cargados se transforma cambiando la frecuencia de la corriente y el tamaño de la inducción.

Funcionamiento en cortocircuito

Se aplica una pequeña tensión alterna a la bobina primaria, las salidas de la bobina secundaria se cortocircuitan. La tensión de entrada se ajusta para que la corriente de cortocircuito corresponda al valor calculado o nominal de la unidad. El tamaño de la tensión de cortocircuito determina las pérdidas en las bobinas del transformador y el caudal contra el material conductor. Parte de la corriente continua supera la resistencia y se convierte en energía térmica, el núcleo se calienta.

La tensión de cortocircuito se calcula como un porcentaje del valor nominal. El parámetro obtenido durante el funcionamiento en este modo es una característica importante de la unidad. Multiplicándola por la corriente de cortocircuito, se obtiene la capacidad de pérdida.

Modo de funcionamiento

Cuando se conecta una carga, se produce un movimiento de partículas en el circuito secundario que provoca un flujo magnético en el conductor. Está en la dirección opuesta al flujo producido por la bobina primaria. En la bobina primaria hay un desajuste entre la fuerza electromotriz de la inducción y la alimentación. La corriente en la bobina primaria aumenta hasta que el campo magnético adquiere su valor inicial.

El flujo magnético del vector de inducción caracteriza el paso del campo a través de una superficie seleccionada y está determinado por la integral de tiempo del índice de fuerza instantáneo en la bobina primaria. El índice se desplaza en fase a 90˚ respecto a la fuerza motriz. El CEM inducido en el circuito secundario tiene la misma forma y fase que el de la bobina primaria.

Tipos y clases de transformadores

Las unidades de potencia se utilizan en el caso de la conversión de corriente de alta tensión y de grandes capacidades, no se utilizan para la medición de la red. La instalación se justifica en caso de diferencia entre la tensión en la red del productor de energía y el circuito que va al consumidor. En función del número de fases, las centrales pueden clasificarse en unidades de bobina única o de bobina múltiple.

Un convertidor de potencia monofásico se instala de forma estática y se caracteriza por tener devanados acoplados mutuamente de forma estacionaria. El núcleo está diseñado como un marco cerrado y se diferencia entre un yugo inferior, un yugo superior y barras de bobina laterales. Los elementos activos son las bobinas y el circuito magnético.

Las envolturas de las varillas están dispuestas en combinaciones prescritas en cuanto al número y la forma de las bobinas o dispuestas en una disposición concéntrica. Las envolturas cilíndricas son las más comunes y las más utilizadas. Los elementos estructurales de la unidad fijan las piezas de la estación, aíslan los pasos entre las bobinas, refrigeran las piezas y evitan las roturas. El aislamiento longitudinal cubre bobinas individuales o combinaciones de bobinas en el núcleo. Los dieléctricos principales se utilizan para evitar la transición entre la tierra y los devanados.

En los circuitos eléctricos trifásicos, se utilizan unidades de dos y tres devanados para distribuir la carga uniformemente entre las entradas y las salidas, o unidades de sustitución monofásicas. Los transformadores refrigerados por aceite contienen un núcleo magnético con bobinas que se encuentran en un depósito de sustancia.

Las envolturas están dispuestas sobre un conductor común, con circuitos primarios y secundarios que interactúan generando un campo común, una corriente o una polarización a medida que los electrones cargados se desplazan por el medio magnético. Esta inducción común dificulta la determinación del rendimiento de la instalación, en alta y baja tensión. Se utiliza un plan de sustitución de transformadores en el que los devanados interactúan en un entorno eléctrico y no magnético.

El principio de equivalencia se aplica a los flujos de disipación de las resistencias de las bobinas inductivas que llevan corriente. Se distingue entre bobinas con una resistencia de inductancia activa. El segundo tipo son las bobinas acopladas magnéticamente que transmiten las partículas sin dispersar los flujos con propiedades mínimas de obstaculización.

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