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Variación de la corriente de magnetización al varias las dimensiones del nucleoTRANSCRIPT
Universidad Nacional del Santa E.A.P. de Ingeniería en Energía MAQUINAS ELECTRICAS
"Año de la Diversificación Productiva y del Fortalecimiento de la Educación"
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTAFacultad de Ingeniería
E. A. P. de Ingeniería en Energía
Departamento Académico de Energía y Física
“Cambios en la Corriente de magnetización al variar las dimensiones del núcleo de un transformador de
3000 kva en la empresa hayduk”RESPONSABLE: Cesar López Aguilar
INTEGRANTES:
Nuevo Chimbote – Perú05/12/2015
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PÉREZ FÉLIX, Miguel ÁngelSALINAS VÁSQUEZ, EduardoCERCADO CASTRO, LyonnelCENIZARIO AVALOS, Héctor
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Cambios en la Corriente de magnetización al variar las
dimensiones del núcleo de un transformador de 3000 kva 13200/440v en la empresa
hayduk
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RESUMEN
El presente trabajo de Investigación tiene por finalidad evaluar los cambios
en la corriente de magnetización variando las dimensiones del núcleo de un
transformador de distribución de 3000 kVA 13200/440 V de conexión
Triangulo - Estrella, cuyo transformador es utilizado en la empresa HAYDUK
para lo cual se tiene en cuenta el cálculo de la corriente de magnetización,
obtenida a partir de una realidad problemática que es el transformador de
3000 kVA y el cambio de las dimensiones del núcleo del transformador.
Para el cálculo de la corriente de magnetización se utiliza la ecuación de
Ampere que relaciona la Intensidad Magnética del material del núcleo, el
número de bobinas, el área del núcleo, la longitud efectiva.
Para conseguir la veracidad de los resultados de la investigación, se ha
considerado una metodología cuantitativa basándonos en el cálculo manual y
el uso del software Excel.
En cuanto a la realidad problemática se tuvo en cuenta el transformador
existente, los catálogos correspondientes, visitas técnicas a la Empresa
Hayduk, revisión de protocolo de pruebas de transformadores.
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1. CAPITULO I: INTRODUCCIÓN...........................................................................................5
1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA......................................................................................6
1.2. LUGAR Y DONDE SE REALIZO EL ESTUDIO.........................................................6
1.3. JUSTIFICACION.............................................................................................................6
3. CAPITULO III : MATERIALES Y METODOS...................................................................14
4. CAPITULO IV: RESULTADOS...........................................................................................16
5. CAPITULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES..........................................16
6. CAPITULO VI: REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.......................................................17
ANEXOS.........................................................................................................................................18
6.1. DATOS Y TABLAS.......................................................................................................18
6.2. Propiedades de Materiales Aislantes.....................................................................19
6.3. Propiedades de Materiales Conductores...............................................................20
6.4. Propiedades de materiales y chapas magnéticas...............................................20
6.5. TRANSFORMADOR TRIFASICO 3000 kVA (FOTOS)...........................................21
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1. CAPITULO I: INTRODUCCIÓN
1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA
El transformador de distribución de 3000 kVA 13200/440V, se utiliza en los
sistemas de distribución eléctrica de la empresa pesquera HAYDUK.
El núcleo de este trasformador es de la forma acorazado trifásico, está
compuesto de tres embobinados.
El embobinado es de un material llamado cobre totalmente aislado.
Las pérdidas de energía se dan mayormente en los entrehierros que existen al
momento de funcionar dicho equipo, también se puede decir que existen
perdidas de energía en la no estabilidad que existe en la tensión.
La corriente de magnetización es nuestra incógnita que hemos podido calcular
y según cálculos efectuados varia conforme a como variamos las dimensiones
del núcleo.
El material del núcleo es de hierro fundido, tiene un coeficiente de
permeabilidad.
1.2. LUGAR Y DONDE SE REALIZO EL ESTUDIO
Se ha tomado como muestra de estudio dicho transformador que pertenece a
la Empresa HAYDUK ubicada en la ciudad de Coishco. El estudio se realizó en
la misma empresa tomando todas las medidas de seguridad apropiadas y con
las recomendaciones necesarias.
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1.3. JUSTIFICACION
Las invenciones de transformadores de distribución eléctrica data del año de
1884 para ser aplicado en los sistemas de transmisión que en esa época eran
de corriente directa y presentaban limitaciones técnicas y económicas. Es un
dispositivo que permite modificar potencia eléctrica de corriente alterna con un
determinado valor de tensión y corriente en otra potencia de casi el mismo
valor pero, generalmente con distintos valores de tensión y corriente.
El transformador es uno de los equipamientos más importantes dentro de la
estructura de los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP) presentándose en
diferentes tipos, tamaños y configuraciones. Un transformador actúa como un
nodo de interconexión para dos puntos de diferentes niveles de tensión y por
ello el funcionamiento continuo del transformador es de vital importancia en la
confiabilidad del sistema eléctrico dado que cualquier trabajo de reparación no
programada, especialmente la substitución de un transformador defectuoso, es
muy caro y demorado. De este modo, su protección es sumamente importante
para la operación estable y confiable de los SEP y la actuación desnecesaria
de relés de protección (especialmente el relé diferencial) debe ser evitada. Por
causa de la magnetización del núcleo de hierro, en el momento en que el
transformador sin carga es energizado, aparece en el bobinado primario una
corriente transitoria conocida como “corriente inrush” o corriente de
magnetización, la cual se presenta como picos transitorios cuya amplitud
puede alcanzar valores elevados poniendo en riesgo la vida útil del
transformador. Los transformadores utilizados en SEP requieren, en régimen
permanente, corrientes de excitación del orden de 0,5 – 0,2 % de la corriente
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nominal, en tanto que, durante el proceso de energización la corriente de
magnetización transitoria puede presentar un valor de pico inicial elevado (10 –
20 veces el valor de pico de la corriente nominal del transformador), duración
de varios ciclos, amplio espectro de componentes armónicas, predominando la
segunda armónica.
La corriente de magnetización fluye solamente en uno de los bobinados del
transformador resultando en grandes corrientes diferenciales que pueden
ocasionar la operación del relé de protección. Sin embargo, estos casos no son
condiciones de falla y los relés de protección deben discriminar correctamente
el fenómeno de energización de un evento de falla interna. La protección
diferencial es utilizada en transformadores con potencias superiores a 10MVA,
sin embargo, la protección de sobrecorriente se utiliza como protección
principal en bancos de transformadores con capacidades menores.
1.4. FORMULACION DEL PROBLEMA
¿En qué medida la variación de las dimensiones de núcleo determina la
corriente de magnetización de un transformador trifásico 3000 kVA 13200/440?
1.5. HIPOTESIS
Aumentando las dimensiones del núcleo del transformador aumentaremos la
corriente de magnetización junto con la potencia, pero ahora en la actualidad
cabe la posibilidad que con la ayuda de la automatización se puede reducir las
dimensiones del núcleo sin disminuir la corriente de magnetización.
1.6. OBJETIVOS
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Determinar en qué medidas las dimensiones de las medidas del núcleo
afectan la corriente de magnetización.
1.7. PLAN GENERAL EXPERIMENTAL
El presente estudio de investigación se realizó teniendo en cuenta:
Recopilación de información bibliográfica de los procedimientos para calcular la
corriente de magnetización.
Se determinaron las muestras, mediante una visita a la Empresa Hayduk en el la
zona de mantenimiento junto con personas encargadas de dicha zona.
Se determinó el procedimiento práctico.
Implementación de materiales.
Se realizó el procedimiento para calcular la corriente de magnetización.
Se procesó la información recaudada y se pasó a construir el modelo matemático
mediante ecuaciones y correlaciones guiándonos de fuentes bibliográficos.
Se elaboró las conclusiones y recomendaciones según nuestro modelo
matemático.
2. CAPITULO II : REVISION BIBLIOGRAFICA
El análisis de la mejora de la eficiencia energética de los grandes transformadores
inmersos en aceite es un tema que se encuentra en continua evolución a nivel
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mundial. En la actualidad, numerosos grupos de trabajo de carácter internacional
llevan a cabo tareas de investigación y publicación de nuevos avances en este campo
de la mano de comités internacionales. Entre los comités electrotécnicos
internacionales más destacados, se encuentra el Consejo Internacional de Grandes
Sistemas Eléctricos, conocido por sus siglas en francés CIGRE (Conseil International
des Grand Réseaux Électrique) fundado en París en 1921 y el IEEE Transformer Committee Task Force on Power. Las últimas publicaciones más destacadas en
este aspecto tratan diversos temas relacionados con la mejora de los sistemas de
monitorización de cambiadores de tomas y pasatapas y gestión de repuestos ,
métodos de determinación de la degradación del papel aislante , software de gestión
de vida de transformadores , líquidos aislantes a base de esteres no inflamables ,
futuro de los transformadores obsoletos , análisis de fallos en transformadores ,
transformadores de aislamiento NOMEX© de alta temperatura , mejora en la
reducción de pérdidas en la chapa magnética , análisis de gases disueltos en el
aceite, emisión de ruido , eficiencia energética, calentamientos y disipación de
pérdidas y cálculo de costes totales de vida de los transformadores de potencia entre
otros . En particular, el aumento de la eficiencia energética en transformadores de
potencia para conseguir mejores comportamientos a nivel de ahorro de costes de
operación, compromiso medio ambiental, esperanza de vida y características de
funcionamiento, es un tema que presenta un amplio margen de mejora en los últimos
años. Diversos estudios demuestran cómo a nivel global, las pérdidas energéticas en
las líneas de distribución eléctrica, representan entre un 3.7% y un 26.7% de la
energía total generada, en función del país estudiado, siendo el valor medio en la
Unión Europea (UE) de 7.3%.
En la actualidad, cuando una compañía eléctrica se plantea adquirir un transformador
de potencia, debe cuantificar no sólo el coste de inversión de la unidad, sino también
el coste de explotación debido a las pérdidas a lo largo de toda la vida útil del
transformador. A estos costes, que son los costes totales de operación, se les conoce
con sus siglas en inglés (Total Operating Costs - TOC). A lo largo de los últimos 25
años, la influencia de los costes de explotación y su modelización a la hora de la
compra de una unidad, se ha llevado a cabo mediante el uso de factores de
capitalización, que asignan a las pérdidas del transformador un coste más elevado
cuanto mayor es la intención de penalizar un diseño de pobre eficiencia. El valor que
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se le atribuye a los factores de penalización de pérdidas en carga y pérdidas en vacío
depende, en gran medida, del modo de explotación del transformador. De este modo,
no sólo se insta a los fabricantes de transformadores a conseguir modelos más
eficientes que reduzcan las pérdidas de explotación, sino que además es posible
considerar modelos de recuperación de la inversión, beneficio por reducción de
pérdidas y estudios de amortización. Recientes análisis de las fórmulas usadas para
cuantificar el coste de las pérdidas de un transformador aconsejan la modelización
adicional del coste medioambiental que suponen las pérdidas energéticas. De este
modo se establecen valores de emisiones de CO2 equivalentes que permiten tener en
cuenta el efecto negativo que estas pérdidas energéticas tienen sobre el medio
ambiente. El deseo adicional de una mayor esperanza de vida de los transformadores,
ha llevado a las empresas eléctricas a posibilitar el uso de una monitorización continua
(on-line) de los parámetros críticos de un transformador. Por tanto, magnitudes como
la temperatura de los puntos más calientes y el nivel de gases disueltos en el aceite,
se controlan en la actualidad por sensores de fibra óptica y analizadores de gases
disueltos respectivamente. El coste del uso de monitorización preventiva en
transformadores de potencia es notablemente inferior al ahorro estimado. La
posibilidad de tener un control constante de las variables más influyentes en la vida
del transformador permiten conocer con precisión los límites de funcionamiento en
caso de sobrecarga, sin llevar a cabo solicitaciones que causen efectos desconocidos
y eliminando dicha incertidumbre.
Del mismo modo, el uso de nuevos materiales que permitan alcanzar mayores
temperaturas de trabajo, facilita la mayor esperanza de vida así como un diseño más
compacto y ligero de los transformadores de potencia. La emisión de ruido por parte
de los transformadores de potencia, y el ahorro en consumo de los equipos auxiliares
de refrigeración, suponen una importante actividad de mejora en los modernos
transformadores. La reducción del ruido está asociada al descenso de la
contaminación acústica que este tipo de máquinas presenta, y de modo paralelo, el
uso de un correcto equipo de refrigeración puede ayudar a reducir los costes totales
de explotación previamente citados. Como consecuencia de la demanda de
transformadores más eficientes y longevos, los diseños y la selección de los
transformadores de potencia se han vuelto más complejos en los últimos años, y exige
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una mayor comunicación entre cliente y fabricante, como se verá en los sucesivos
apartados.
2.1. MATERIAL ADECUADO PARA EL NÚCLEO DE TRANSFORMADORES
2.1.1. MATERIALES FERROMAGNETICOS
Los materiales ferromagnéticos, compuestos de hierro y sus aleaciones con
cobalto, tungsteno, níquel, aluminio y otros metales, son los materiales
magnéticos más comunes y se utilizan para el diseño y constitución de
núcleos de los transformadores y maquinas eléctricas. En un transformador
se usan para maximizar el acoplamiento entre los devanados, así como
para disminuir la corriente de excitación necesaria para la operación del
transformador. En las maquinas eléctricas se usan los materiales
ferromagnéticos para dar forma a los campos, de modo que se logren
hacer máximas las características de producción de par.
Estos materiales han evolucionado mucho con el paso del tiempo lo que
implica más eficiencia, reducción de volúmenes y costo, en el diseño de
transformadores y maquinas eléctricas.
Los materiales ferromagnéticos poseen las siguientes propiedades y
características que se detallan a continuación.
Propiedades de los materiales ferromagnéticos.
Aparece una gran inducción magnética al aplicarle un campo magnético.
Permiten concentrar con facilidad líneas de campo magnético, acumulando
densidad de flujo magnético elevado.
Se utilizan estos materiales para delimitar y dirigir a los campos magnéticos en
trayectorias bien definidas.
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Permite que las maquinas eléctricas tengan volúmenes razonables y costos
menos excesivos.
Características de los materiales ferromagnéticos.
Los materiales ferromagnéticos se caracterizan por uno o varios de los siguientes
atributos:
Pueden imantarse mucho más fácilmente que los demás materiales. Esta
característica viene indicada por una gran permeabilidad relativa m /m r.
Tienen una inducción magnética intrínseca máxima Bmax muy elevada.
Se imanan con una facilidad muy diferente según sea el valor del campo
magnético. Este atributo lleva una relación no lineal entre los módulos de
inducción magnética (B) y campo magnético.
Un aumento del campo magnético les origina una variación de flujo diferente de la
variación que originaría una disminución igual de campo magnético. Este atributo
indica que las relaciones que expresan la inducción magnética y la permeabilidad
(m) como funciones del campo magnético, no son lineales ni uniformes.
Conservan la imanación cuando se suprime el campo.
Tienden a oponerse a la inversión del sentido de la imanación una vez imantados.
2.1.2. Materiales ferromagnéticos para transformadores
La aleación ferromagnética más utilizada para el diseño de núcleos de
transformadores es la aleación hierro-silicio, esta aleación es la producida en
mayor cantidad y está compuesta por hierro esencialmente puro con 1-6% de
silicio, dependiendo este porcentaje del fin a que se destine el material. Dando a
esta aleación un tratamiento térmico adecuado, se obtiene un material que
comparado con el hierro, tiene mejores propiedades magnéticas para campos
magnéticos débiles, una resistividad mayor y sufren pérdidas totales menores en
el núcleo. Esta aleación se lamina en chapas y flejes, principalmente de espesores
comprendidos entre 0,35 y 0,635 mm recocidos; en el lenguaje corriente se le
conoce con el nombre de acero al silicio o Chapa magnética.
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Las chapas de mejor calidad presentan mayor contenido en silicio, entre el 4 y el 5.
El silicio eleva la dureza del material, por lo que su porcentaje se determina según
el empleo al que se designa la chapa. Para maquinas rotatorias el límite superior
es aproximadamente del 4%, teniendo en cuenta el peligro de la fragilidad.
También se prefieren chapas de menor contenido de silicio cuando las densidades
de funcionamiento son elevadas o cuando se desea una elevada conductividad
calorífica. Las pérdidas en el núcleo y el coeficiente de envejecimiento aumentan
al disminuir el contenido de silicio.
La fabricación de la chapa magnética ha llegado a estar normalizada en
considerable extensión por lo que los datos magnéticos publicados por diversos
fabricantes no se diferencian, calidad por calidad, excesivamente.
3. CAPITULO III : MATERIALES Y METODOS
3.1. MÉTODO DE ESTUDIO
El método utilizado es el experimental.
3.2. ESTRATEGIA DEL ESTUDIO
Diseño de la investigación.
Variable independiente Variable dependiente
Dimensiones del Núcleo - Corriente de Magnetización
Se realizó cumpliendo con las siguientes etapas.
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Diseño y elaboración del algoritmo experimental para la toma de datos
Medición experimental de los diferentes tipos de transformadores.
Elaboración del programa de tratamiento de datos y simulación.
Presentación de resultados.
3.3. POBLACIÓN
El universo serán los transformadores utilizados en la empresa
HAYDUK, en este caso de 3000 KVA 13200/440 V y 13200/220 V en
Coishco.
3.4. MUESTRA
Se tomaron n – 1 valores de cada variable dependiente teniendo en
cuenta los criterios de inferencia estadística correspondiente a una
muestra.
3.5. TÉCNICAS E INSTRUMENTOS PARA LA RECOLECCIÓN DE DATOS.
Visita de campo, medidas con una regla centimétrica.
3.6. TRATAMIENTO DE DATOS
La información se procesó siguiendo las técnicas estándares para este
tipo de información.
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3.7. PROCEDIMIENTO PARA LA RECOLECCIÓN DE DATOS
Se revisó los catálogos de transformadores.
Se visitó la empresa Hayduk y los talleres de mantenimiento de sus
transformadores.
3.8. MATERIALES Y EQUIPOS
Un vernier
Un multitester
Catálogos de transformadores.
4. CAPITULO IV: RESULTADOS
4.1. Dimensiones del Núcleo del Transformador de 3000 kVA.
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4.2. Modelo Matemático
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4.3. Modelo Matemático
Para hallar la corriente de magnetización en base a la variación de las
dimensiones del núcleo haremos los siguientes cálculos:
5. CAPITULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
De acuerdo a los datos obtenidos durante la variación del núcleo se obtuvo
una variación en la corriente de magnetización aumenta de acuerdo a
incremento del área del núcleo.
Es importante tener en cuenta las dimensiones del núcleo de manera exacta
para tener cálculos precisos.
Debido al gran avance tecnológico concerniente a la construcción de
transformadores trifásicos y la alcanzable búsqueda de mejoras para equipos
nos hace dar de cuenta que ante estas diversas formas o maneras de construir
los transformadores trifásicos, y la incansable búsqueda de mejoras para
equipos nos hace dar de cuenta que ante estas diversas formas o maneras de
construir los transformadores trifásicos el eterno problemas es disminuir la
temperatura de los núcleos, y con esto mejorar la eficiencia de las maquinas,
pero como conclusión podemos decir que ante todos lo que se hace siempre
tendremos algo en corta, entiéndase contaminación del medio ambiente, ideas
costosas difíciles de poner en marcha, entonces la utilización de este tipo de
transformadores siempre tendremos problemas y dificultades.
6. CAPITULO VI: REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Technical Electrical – Spanish Vocabulary, 1 de mayo de 2012, <
http://www.sapiensman.com/ESDictionary/T/Technical_vocabulary_Spanish(T14-
C).php>.
Ing. Douglas Aguirre, "Autotransformador", Escuela Politécnica del Litoral, 19 de
febrero de 2009.
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Universidad Nacional del Santa E.A.P. de Ingeniería en Energía MAQUINAS ELECTRICAS
G.M., "El Autotransformador", 22 del julio del 2009.
Dr. Rodolfo estrada, "Los
Autotransformadores", Universidad Iberoamericana, México, 2002.
Federico Milano, "Autotransformadores", universidad de castilla, departamento
de ingeniería eléctrica, España, 2010.
Miguel Rodríguez, "Autotransformadores", Universidad de Cantabria,
Departamento de ingeniería eléctrica y electrónica.
Ing. José Hugo Argañaraz, "Transformadores Trifásicos", Universidad Nacional Del
Sur - Departamento De Ingeniería Eléctrica Y De Computadoras - Área 4 –
Conversión Electromecánica De La Energía
Ing. Octavio Fonseca, Gerente General de Kay Electric CA "Ensayos al Aceite
Dieléctrico… Diagnósticos Esenciales en
cualquier programa de Mantenimiento Eléctrico".
ANEXOS
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6.1. DATOS Y TABLAS
Relaciones entre Unidades
Energía: 1J=107 ergios=0.24 cal = 6.24 eV= 9.49 10-4 Btu
Potencia: 1 W=1.36 10-3 CV=1.34 10-3 hp Par: 1 Nm=0.738 lbf
pie
Inducción magnética: 1T=1 Wb/m2 =104 G=64.5 klíneas/pulg2
Excitación magnética: 1 Av/m=0.0126 Oe
6.2. Propiedades de Materiales Aislantes
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6.3. Propiedades de Materiales Conductores
6.4. Propiedades de materiales y chapas magnéticas
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6.5. TRANSFORMADOR TRIFASICO 3000 kVA (FOTOS)
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Fig. 1 Transformador Trifásico 3000 kVA vista trasera
Fig.2 Transformador Trifásico 3000 kVA vista delantera
Fig.3 Sistema de Enfriamiento Aceite
Fig.4 Bornes de Baja Tensión
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Fig.5 Bornes Secundario Alta Tensión
Fig.6 Bornes Primario Baja Tensión
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Fig.7 Datos Técnicos del Transformador de 3000 kVA.
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Fig.8 Transformador Trifásico Vista Completa
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Fig.9 Diseño Transformador Trifásico en AutoCAD