Diseño de Maquinas e1 A

7/24/2019 Diseo de Maquinas e1 A

1/56

DIAPOSITIVAS DE LAASIGNATURA DE DISEO DE

MQUINAS ELCTRICASING. CARLOS JULIO MENDOZA AURIS

FACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA

HUANCAYO - PERU

2015

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRODEL PER


2/56

DISEO DETRANSFORMADORES

DE DISTRIBUCIN

2

Diseo de Mquinas Elctricas

DISEO DE MQUINAS ELCTRICASIng. Carlos J. Mendoza Auris

UNIDAD I:


3/56

3

IMPORTANCIA DE LOS TRANSFORMADORES EN SISTEMAS

ELCTRICOS DEL POTENCIAEn todo SEP, los transformadores de distribucin

son la fase ltima para la utilizacin de la energa

elctrica en redes de distribucin de M.T. a B.T.


4/56

4

CLASIFICACIN Y ESTANDARIZACIN

DATOS DE PLACA DE CARACTERSTICAS


5/56

5

POTENCIAS NORMALIZADAS EN (kVA)

5 10 15

25 37,5 50

75 100 125

160 200 250

300 400 500

SEGN LA CAPACIDAD NOMINAL


6/56

6

Para asegurar que las conexiones de los terminales deltransformador sean correctas:

Si la corriente que entra al transformador por H1esta en fase con respecto a la corriente que sale deltransformador por X1.

CONEXIONES DE TRANSFORMADORESMONOFSICOS

GRUPO DE CONEXIN: Ii0

GRUPO DE CONEXIN: Ii6

Si la corriente que entra al transformador por H1esta desfasado 180 grados elctricos con respecto ala corriente que sale del transformador por X1.


7/56

7

DESIGNACIN: 2E - E

Indica un devanado para servicio de dos hilos a 2Evolts o de tres hilos a E volts desde el punto medio acada uno de los extremos.


8/56

8

GRUPO DE CONEXIN:

Las bobinas de los transformadores trifsicos puedenconectarse en:

/

Delta Estrella

primario secundario

Y

Conexin: Dy5

Dy5; Dy11; Dyn5; Dyn11; Yd5; Yd11; Ynd5; Ynd11; Yyn6

CONEXIONES DE TRANSFORMADORES

TRIFSICOS


9/56

9

PRINCIPALES ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

Un transformador consta de dos partes esenciales:

Utilizado para conducir el flujo magntico generado. Chapas de acero al silicio. Laminadas en fro (grano orientado). Capa aislante (0,01 mm) carlite.

Columnas, culatas, ventanas del ncleo, juntas . Canales de ventilacin. Posibles tipos de corte de la chapa: 90 y 45 grados

I ) EL NCLEO MAGNTICO


10/56

10

SEGN LA POSICIN RELATIVA NCLEO - DEVANADOA) NCLEO MONOFSICO

Estructura tipo columnas

Se distinguen dos partes:- Las columnas o piernas, donde se alojan los devanados.- Los yugos o culatas que unen entre s a las columnas para

cerrar el circuito magntico.


11/56

11



12/56

12

Estructura tipo acorazado

Es aquel en el cual el ncleo se encuentracubriendo los devanados de baja y alta tensin.

NCLEO MONOFSICO


13/56

13

Estructura tipo acorazado


14/56

14

B) NCLEO TRIFSICO

Se tiene tres columnas dispuestas sobre el mismoplano unidas en sus partes inferior y superior pormedio de yugos, sobre cada columna se incrustan losdevanados primarios y secundarios de una fase.


SEGN LA POSICIN RELATIVA NCLEO - DEVANADO


15/56

15

Estructura tipo columna


16/56

16

NCLEO TRIFSICO Estructura tipo acorazado

SEGN LA POSICIN RELATIVA NCLEO - DEVANADO


17/56

17

II ) LOS DEVANADOS

Hilos de cobre (barniz)

Pletina de cobre (Fibra de algodn o cinta depapel)

SEGN LA DISPOSICIN DE LOS ARROLLAMIENTOSa) Arrollamiento Concntrico


18/56

18

b) Arrollamiento Alternado (devanado en galletas)

SEGN LA DISPOSICIN DE LOS ARROLLAMIENTOS


19/56

19

REA DE LA SECCIN TRANSVERSAL DEL NCLEO

DISEO DE TRANSFORMADORES

Designacin : AnUnidad de medida: [cm2]

El ncleo de hierro tiene una seccin transversal de la ramaque lleva arrollados los bobinados.

La funcin principal es lograr el conveniente equilibrioentre la calidady el costo del transformador.

Esta seccin transversal del ncleo, puede tener cualquierforma geomtrica: Pequea potencia: 1 escaln Gran potencia : polgono escalonado (2 escalones,, etc)


20/56

20

Este cuadrado es la seccin transversal normal de larama central del ncleo y que est inscrito en un crculode dimetro D y que el lado vale a.

Inscripcin de una seccin de un escaln del ncleo en el crculo

a) Desarrollo del ncleo de 1 paso o escaln


21/56

21

rea del crculo en funcin del dimetro D:

COEFICIENTE DE PLENITUD DEL HIERRO (Kf):Esta dado por el cociente entre la seccin neta del hierroy el rea del crculo circunscrito.

No olvidar: El paquete de chapas que forma el ncleo,

tiene espacios de aislacin entre cada par de chapas,entonces se reduce la seccin neta del hierro en un 10%aproximadamente.

= ,

rea de la seccin de un escaln en funcin del dimetro D:

= 0,785

= 0,57


22/56

22

b) Desarrollo de una seccin del ncleo de 2 escalones

Inscripcin de una seccin de 2 pasos del ncleo en el crculo

El rea de la seccin de dos escalones es:


23/56

23

Del grfico las medidas de y en funcin de : = D sen()= D cos()

Reemplazando valores en (1):

Para hallar el ngulo, el rea A sea mxima

= ()..(1)

= (sen2 cos) ..(2)

()

()=


24/56

24

Por lo tanto:

El coeficiente de plenitud del hierro ser:

Aplicando la merma del 10% ocasionado por laaislacin de las chapas:

= 5 815

= ,

= ,

Reemplazando valores en (2):

El rea de la seccin de dos escalones:


25/56

25

c) Desarrollo de una seccin del ncleo de 3 escalones

Inscripcin de una seccin de 3 pasos del ncleo en el crculo

El rea de la seccin de tres escalones es:


26/56

26

Reemplazando (2), (3)y (4) en (1)

Del grfico mostrado: = D sen() ..(2)

=D2 ..(3)

= D cos() ..(4)

= (D)[sen2+0,5-1,414 cos]

()() =

= 64,9Por lo tanto:

Para hallar el ngulo, el rea A sea mxima

= ()+ ( )

(1)


27/56

27

DETALLE DE LA COLUMNA DE UN

TRANSFORMAD0R TRIFSICO


28/56

28

NMERO DE ESCALONESTabla N 1

El nmero de escalones se puede elige en base a la potencia.

Tabla N 2Las dimensiones de los escalones referidas al dimetro del crculocircunscrito (D).


29/56

29

DIMENSIONADO DEL NCLEO

De la Potencia aparente en el secundario

De la expresin general de la f.e.m. inducida:

Para el bobinado secundario:

De la densidad de corriente (J):

Reemplazando valores en la expresin final de lapotencia aparente en el secundario:

=, [V]

=, [VA]

Es el dato ms comn en los transformadores.


30/56

30

SUPERFICIES OCUPADAS EN LA VENTANADE CADA BOBINADO

Dimensiones en un ncleo tipo columnas

= + Tenemos que:


31/56

31

A1: Representa la seccin total del cobre del bobinadoprimario.

A2: Representa la seccin total del cobre del bobinadosecundario.

COEFICIENTE DE PLENITUD DEL COBRE (KC)

Asignamos al rea total del cobre del bobinadosecundario la mitad de la superficie de la ventana:

Es la suma de las dos reas llenas de cobre, divididapor la superficie de la ventana.

=


32/56

32

IMPORTANTE:

Los valores del coeficiente de plenitud del cobretoma valores de:

Alrededor de 0,35 para devanados de A.T. Alrededor de 0,50 para devanados de B.T.

Reemplazando valores en la expresin final de S:

Coeficiente n:

n =0,57S ( )

[]

n =0,385S ( )

[]

= ,


33/56

33

Coeficiente m:

Se emplea el factor :

Consideremos las prdidas de ambos materiales

PRDIDAS EN EL TRANSFORMADOR

Se emplea el factor :

=

=


34/56

34

POTENCIA PRDIDA EN EL COBRE (Wc)

Las prdidas por efecto joule son iguales al productode la resistencia por el cuadrado de la intensidad decorriente.

PESO DEL ALAMBRE DE COBRE (Qc)

Es igual al producto del volumen del conductor por elpeso especifico del cobre

= 0,02 J s [W]

= 8,9 s [g]

= 8,9 g/


35/56

35

Si dividimos la potencia prdida por el peso delalambre de cobre, obtendremos el valor de:

PRDIDAS ESPECFICAS EN EL COBRE (Pc)

= ,

[W/kg]

Perdidas totales en el hierro

Perdidas totales en el cobre

= []

= [W]


36/56

36

Dividiendo ambas prdidas:

Despejando " "

=,

Los valores del factor :

= 1 Transformadores de servicio permanente. > 1 Transformadores de servicio intermitente

m =,

Coeficiente m


37/56

37

Coeficiente p y t:

valor de "m" valor de "p"

a c

dado "m" Hallar "p"

b d

Si tenemos:

Para interpolar se aplica la siguiente frmula:

Los valores de m y p son los mismos paratransformadores monofsicos y trifsicos, no as losvalores de t que varan, debindose tomar el valorque corresponde.

p = d +()()

()


38/56

38

CLCULO DEFINITIVO DEL NCLEO

Hay 3 frmulas para determinar las dimensiones clsicas

del ncleo.

El dimetro del crculo que rodea a la seccin netadel hierro

El alto de la ventana

El ancho de la ventana

=

[cm]

= []

c =

[]


39/56

39

NMERO DE ESPIRAS DEL BOBINADO PRIMARIO (N1)

DIMENSIONADO DE LOS DEVANADOS

NMERO DE ESPIRAS DEL BOBINADO SECUNDARIO (N2)

De la expresin general de la f. e. m. inducida

De la relacin de voltaje:

= , [V]

El voltaje en las bobinas de un transformador esdirectamente proporcional al nmero de vueltasde cada una de ellas.


40/56

40

TOMAS PARA LA REGULACIN DE LA TENSIN PRIMARIA

Las tomas para la regulacin de tensin serealiza en el bobinado de M.T., por lacirculacin de corrientes ms bajas.

Tomas de Regulacin: 0%; 2,5%; 5%


41/56

41

LA INTENSIDAD DE CORRIENTE DEL SECUNDARIO (I2)

DETERMINACIN DE LAS CORRIENTES

EN LOS DEVANADOS

Para el clculo del calibre de conductor, es comn

tomar la densidad de corriente (J).segn tablas:

Son los valores mximos admisibles:

=

[ ]

De la potencia aparente:

Calibre del conductor ( )


42/56

42

LA INTENSIDAD DE CORRIENTE DEL PRIMARIO (I1)

Calibre del conductor ( )

La corriente en las bobinas de un transformadores inversamente proporcional al voltaje de cadauna de ellas.

DETERMINACIN DE LAS CORRIENTES

EN LOS DEVANADOS

De la relacin de corriente:


43/56

43

DETERMINACIN DE PESOS Y CANTIDADES

Consideremos un ncleo en corte transversal, que tieneseccin cruciforme.

BOBINADOS DE COBRE


44/56

44

Se observa que al arrollar el conductor sobre el ncleo:

La primera espira:

El radio medio del bobinado es:

r = c

La ltima espira:

La longitud de la media espira es:

=2 +c

)

Tendr un radio igual a la mitad del dimetro del crculoque envuelve a dicho ncleo.

Tendr un radio igual a la primera vuelta mas la mitad

del ancho de la ventana.


45/56

45

Es un toroide cilndrico hueco de espesor c/2 y alto b

EL VOLUMEN DEL BOBINADO

Volumen del cilindro hueco = Acorona circularAltura


46/56

46

PESO TOTAL DEL COBRE DE LOS BOBINADOS (Qc)

Para calcular el peso total del cobre, afectaremos a laexpresin con el factor de plenitud del cobre (Kc).

Peso del cobre = Volumen Peso especifico del cobre Kc

= 8,9 g/

=2 +c

) para un bobinado

=2 +c

) para dos bobinados


47/56

47

Longitud del alambre () = . [m]

Peso del bobinado = L () [Kg]

Para trifsicos Hay que considerar tres toroides en lugar de

dos toroides

Para monofsico

= 0,014

bc (2D+c) [kg]

PESO APROXIMADO DEL COBRE DE LOS BOBINADOS (Qb)


48/56

48

NCLEO DE HIERRO

Referente al ncleo de hierro del transformador, la forma

del ncleo es variable, segn el uso y potencia.

VISTA FRONTALVISTA FSICA


49/56

49

CORTE A-A

Del grfico mostrado, tenemos: El largo del prisma rectangular (L) Hay dos ramas verticales Otras dos ramas horizontales


50/56

50

Altura del yugo (g) Es el cociente entre el rea de la seccin neta y

el ancho del ncleo.

CORTE B-B


51/56

51

VOLUMEN DEL NCLEO DE HIERRO

Es igual al producto del rea de la seccin transversal

por la longitud del prisma.

V = 1,57 K [cm]


52/56

52

EL PESO DEL NCLEO DE HIERRO (Qf)

Es igual al producto del volumen del ncleo dehierro por el peso especifico del hierro.

Para monofsico = 0,012

[kg]

Para trifsicos Hay que considerar un ncleo de tres

columnas.

= 7,8 g/


53/56

53

RENDIMIENTO DEL TRANSFORMADOR

Es el cociente entre la potencia obtenida en el

secundario y la potencia absorbida de la red en elprimario expresado en tantos por ciento.


54/56

54

=P

P +P [%]

Entonces el rendimiento del transformador puedecalcularse con la expresin:

La potencia que el transformador toma de la redes la suma de la potencia proporcionada a la carga

ms las prdidas que se producen en los circuitosmagnticos y en los devanados de cobre.

l

rendimiento mximo ser cuando las prdidas

en el hierro sean iguales a las prdidas en el

cobre


55/56

55

=w

w +w () [%]

Entonces el rendimiento diario del transformadorpuede calcularse con la expresin:

Es la relacin entre la energa total suministradapor un transformador a una carga y la energatotal de entrada recibida por el transformador,para un perodo de 24 horas.

RENDIMIENTO DIARIO


56/56

UNCP FIEE - 2015ING. CARLOS J. MENDOZA AURIS

Documents

Diseño de Maquinas e1 A