3301. ¿Por qué no es conveniente que un transformador alimente una carga de tipo capacitivo?
Porque con carga de tipo capacitivo, la tensión en las bornas de secundario puede ser superior a la tensión que se tiene cuando está en vacío. Esto se conoce como el efecto Ferranti y es por el hecho de que el flujo en el núcleo del transformador es superior con carga capacitiva que sin carga o en vacío.
Como se aumenta la tensión en el secundario, el usuario recibe una tensión superior a la nominal. Esto es un efecto indeseable por lo que deben evitarse las cargas capacitivas en un transformador.
3302. Una instalación alimentada por un transformador está compuesta por cinco equipos eléctricos, todos ellos con factor de potencia inductivo. Se desea compensar el factor de potencia de la instalación y se duda entre realizar una compensación central (única para todos los equipos de la instalación) o individual (equipo a equipo). ¿Cuál de las dos opciones es más aconsejable sabiendo que las cargas tienen un factor de simultaneidad (esto es, las cargas no están todas conectadas simultáneamente)?
Para elegir una compensación central en el transformador, los 5 equipos deberían tener las tensiones nominales de los arrollamientos primarios iguales y las tensiones secundarias también tienen que ser idénticas, y transmitir una misma potencia.
Como en este caso tenemos cargas con factor de simultaneidad, no todos los equipos de la instalación trabajan a la vez.
Con una compensación central se daría a la instalación una sobrecompensación en algunos equipos, lo que elevaría la tensión, dando resultados dañinos para el usuario.
Por el contrario, podemos instalar en cada equipo una batería de condensadores que compense individualmente el factor de potencia, consiguiendo así que cada usuario compense al máximo su factor de potencia sin poner en riesgo el resto de la instalación.
3303. Un transformador de 5MVA 15.000/400 V atiende una instalación de 3 MVA con factor de potencia 0,8 inductiva. En un momento determinado se compensa el factor de potencia de la instalación con una batería de condensadores de 1 MVar ¿Cuándo será menor la caída de tensión, antes de compensar el factor de potencia de la instalación o después? ¿Por qué?
3304. Se tiene una carga cuyo factor de potencia es 0,7 inductivo alimentada mediante un transformador. Se quiere compensar el factor de potencia de la instalación mediante una batería de condensadores. Se duda entre la posibilidad de conectar una batería en el lado de AT del transformador o en el lado de la carga. Se pide: ordena los tres casos siguientes en función de que el rendimiento del transformador sea mayor o menor. Justifica la ordenación realizada.
- Sin la batería de condensadores
- Con la batería de condensadores en el lado de la carga
- Con la batería de condensadores en el lado de la red
El rendimiento de un transformador es mayor, cuanto más cerca esté el factor de potencia de la unidad. Esto se consigue compensando el factor de potencia de la carga utilizando para ello una batería de condensadores. Por lo tanto, el orden es:
b) Con la batería de condensadores en el lado de carga:
Si lo colocamos en el lado de carga, se va corrigiendo y mejorando el factor de potencia consiguiendo que el factor de potencia se acerque a 1, optimizando el rendimiento.
a) Sin la batería de condensadores
Si no hay batería de condensadores en el lado de la carga no hay variación del factor de potencia y por lo tanto el rendimiento no cambia.
c) Con la batería de condensadores en el lado de la red:
Si colocamos la batería de condensadores en el lado de alta tensión del transformador, el Factor de Potencia sigue siendo igual (factor de potencia =0,7), con lo que es inservible ponerlo en dicho punto ya que se producirían sobretensiones en el primario, puesto que la red es una carga capacitiva y por el efecto Ferranti podría dañar el transformador.
3305. Se tiene una carga cuyo factor de potencia es 0,7 inductivo alimentada mediante un transformador. Se compensa el factor de potencia de la instalación mediante una batería de condensadores. Se pide ¿cuándo será mayor el rendimiento del transformador: antes o después de compensar el factor de potencia? ¿Por qué?
El rendimiento es mayor cuanto el factor de potencia es mayor. Si instalamos la batería de condensadores en el lado de la carga se mejora su factor de potencia, por lo que mejora su rendimiento.
Con esto podemos decir que después de compensar el factor de potencia, el rendimiento de los transformadores es mayor. La mejora del factor de potencia provoca que se disminuya la caída de tensión consiguiendo que la corriente que circula también sea menor.
3309. Para un transformador de una potencia y una tensión nominal dadas ¿Cómo influye en el rendimiento del transformador un aumento de la sección del hilo de cobre que forma los arrollamientos primario y secundario? Ídem de un aumento de la sección de hierro. ¿Cómo influyen estos parámetros en el grado de carga para el cual se alcanza el máximo rendimiento?
Para conseguir el grado de carga en el que tengamos un rendimiento máximo, tanto las pérdidas fijas (Pfe) como las variables (Pcu) se tienen que igualar.
Si los aumentos de ambos parámetros son proporcionales, el grado de carga no variará.
3310. Indica cómo depende el rendimiento de un transformador del grado de carga. Indica para qué grado de carga se alcanza el rendimiento máximo. Ídem con el factor de potencia de la carga.
El rendimiento de un transformador es el cociente entre la potencia entregada a la carga y la potencia consumida por la red.
El rendimiento de un transformador depende de parámetros de diseño (inducción de diseño, densidad de corriente de diseño) y de las condiciones de explotación (grado de carga y factor de potencia de la carga)
Al entrar el transformador en carga, el rendimiento va aumentando rápidamente hasta alcanzar un valor máximo, que es aquel en el que las pérdidas fijas (Pfe) son iguales a las pérdidas variables (Pcu). De esta manera el grado de carga de máximo rendimiento es:
A partir de ese grado de carga el rendimiento cae suavemente.
Como se observa, el rendimiento del transformador aumenta cuando se aumenta el factor de potencia.
El máximo rendimiento se alcanzaría con factor de potencia=1
3312. Justifica por qué no es recomendable conectar en paralelo dos transformadores cuyas potencias nominales se encuentren en una relación 5:1
Según la norma UNE 207005, recomienda que la potencia de los transformadores que se conectan en paralelo, no exceda de 2:1.
En nuestro caso 5:1 no está permitido conectar en paralelo.
Esto es porque al conectar dos transformadores en paralelo, no queremos que ninguno de ellos se sobrecargue. Por tanto, la carga del transformador mayor viene acotada por la carga del transformador menor.
Cuando la diferencia de potencia entre los dos transformadores es grande, puede darse el caso en que conectados a la vez den menos potencia que la que daría el transformador grande en solitario.
3313. Se desea alimentar una instalación eléctrica de potencia SI. Para ello se barajan dos alternativas, la primera utilizar un solo transformador de potencia SN y la segunda utilizar dos transformadores de potencia SN/2. Indicar las ventajas e inconvenientes de cada alternativa.
La norma UNE 207005 nos recomienda que la potencia de los transformadores que se conectan en paralelo no exceda la relación de 2:1, es decir que las diferencias de potencia no sean muy grandes. En nuestro caso son iguales:
Transformadores en paralelo
- Una gran ventaja es que a la hora de una avería en uno de ellos, el otro podría hacerse cargo del suministro completo.
- Un inconveniente sería que deberíamos tener en cuenta que las tensiones nominales en el primario y secundario fueran las mismas para que no se sobrecargue ninguno de ellos o se infrautilice el otro.
- Otro inconveniente sería el coste, ya que la instalación de dos transformadores es mayor que la instalación de un solo transformador.
Un solo transformador
- Una ventaja es que el transformador nunca llegará a dar toda la potencia nominal, ya que las cargas nunca van a demandar toda la potencia nominal del transformador.
- Un inconveniente es que, a la hora de que las cargas conectadas aumenten la demanda de potencia, el transformador no puede dar toda la potencia que se le demanda, por lo que se debería cambiar por otro transformador mayor o instalar otro en paralelo.
- Otro inconveniente es que en caso de avería se pierde el suministro por completo.
3314. ¿Qué condiciones se precisan para que el funcionamiento de transformadores en paralelo sea satisfactorio? ¿Por qué?
Para que dos transformadores se puedan conectar en paralelo, se tienen que cumplir dos condiciones:
Las tensiones de los arrollamientos primarios sean idénticas. En el caso que la tensión aplicada sea mayor que la nominal, aumenta la corriente de vacío notablemente al entrar en saturación, y esto hace aumentar Pfe. En el caso que sea menor la tensión aplicada que la nominal, el transformador queda infrautilizado.
Las tensiones de los arrollamientos secundarios sean idénticas: En caso contrario se tendría una corriente de circulación entre los dos transformadores que haría que el transformador tenga unas Pcu importantes incluso al vacío. Cuando el transformador entra en carga esta corriente de circulación se suma a la carga, limitando la carga máxima admisible si el calentamiento es excesivo.
3315. Accidente de cortocircuito en un transformador monofásico. Utilidad del estudio. ¿Qué efectos tiene un cortocircuito para el transformador? ¿De qué dependen esos efectos?
Cuando un transformador sufre por accidente un cortocircuito en bornas, se establece por sus arrollamientos una corriente varias veces superior a la corriente nominal. El estudio del funcionamiento de un transformador, cuando en el secundario del mismo ocurre un cortocircuito accidental, es de interés tanto para el fabricante como para el usuario.
Para el fabricante porque debe diseñarlo para soportar efectos de corto desde el tiempo en que se produce hasta que las protecciones actúen, y para el usuario porque la corriente de cortocircuito atraviesa todos los elementos que están en serie con el transformador (cables, IA, seccionadores, TIs…), con lo que todos estos elementos van a sufrir unos sobreesfuerzos que deben soportar hasta que actúan las protecciones.
La corriente de cortocircuito produce dos tipos de esfuerzos:
Esfuerzos de repulsión: (Debidas a fuerzas de repulsión entre arrollamientos) Los arrollamientos se comportan como dos cables por lo que circula una corriente que experimenta una fuerza
, que puede ser de atracción o repulsión. Las fuerzas entre arrollamientos son debidas a que cada uno de los arrollamientos se encuentra inmerso en el flujo de repulsión del otro.
. Por tanto, las fuerzas de repulsión dependen del cuadrado de la intensidad que circula.
Esfuerzos térmicos: (Debido al calor producido por las pérdidas de la corriente de cortocircuito). De valor
, dependen del valor eficaz de la corriente. Se suele despreciar el calor producido en régimen transitorio puesto que no suele ser relevante.
3316. Fuerzas entre arrollamientos de un transformador ¿Por qué aparecen? ¿Qué dirección y sentido tienen? ¿De qué magnitudes dependen? ¿Cuándo tienen mayor valor?
Estas fuerzas aparecen porque los dos arrollamientos por los que circulan corrientes se comportan como dos hilos conductores que experimentan una fuerza
que en función del signo pueden ser de atracción o repulsión.
Para dos arrollamientos por los que circulan corrientes experimentan fuerzas de repulsión puesto que las A·vuelta de secundario tienen distinto signo que los A·vuelta del primario.
La fuerza máxima coincide con el valor de cresta que se produce entre los 25 y 10 milisegundos.
Las magnitudes de las que dependen son de B (inducción magnética), I (la intensidad) y la longitud de los arrollamientos.
3317. ¿Cuánto vale la intensidad de régimen permanente de un transformador en cortocircuito? ¿Qué medidas se toman para reducirla?
La intensidad en régimen permanente viene dada por:
Como se puede observar la corriente de cortocircuito depende de la impedancia de cortocircuito porcentual y de la corriente nominal.
Una elevada impedancia de cortocircuito es buena para que las corrientes de cortocircuito sean pequeñas. Esto ocurre en transformadores de grandes potencias donde los esfuerzos de cortocircuito son muy elevados y puede ser complicado que el transformador pueda soportarlo.
De la expresión de la impedancia de cortocircuito:
La
se refiere a las pérdidas en el cobre y del rendimiento. En transformadores grandes interesan rendimientos grandes, por lo que la resistencia tiene que ser pequeña.
Si jugamos con el flujo disperso, conseguimos una impedancia grande aunque la resistencia sea pequeña.
3319. ¿Qué ventajas y qué inconvenientes tiene el hecho de que la tensión de cortocircuito porcentual de un transformador sea elevada? ¿Qué transformadores se fabrican con una tensión de cortocircuito porcentual elevada?
Sabemos que una elevada impedancia de cortocircuito es buena para que la corriente de cortocircuito sea pequeña, pero es mala porque influye en las caídas de tensión, ya que si tiene muchas caídas de tensión hay que fabricar el cambiador de tomas en carga para que tenga un gran recorrido de regulación.
En transformadores de grandes potencias los esfuerzos de cortocircuito son muy elevados y puede ser complicado hacer que el transformador sea capaz de soportarlo. Por ello los