ingeniería eléctrica

"El transformador"

LA FASE DEL ACORAZADO

Varios grupos constituyen una fase y se apilan con guías adecuadas con el objeto de respetar las dimensiones previstas y de la ventana.

A medida que se realiza el apilado de las bobinas, se colocan grandes cartones aislantes laterales. La fase de este modo constituida se la somete a un prensado mediante un dispositivo que dispone de resortes calibrados ajustables que permiten ejercer una fuerte presión sobre las caras horizontales de los grupos.

Los bloques así obtenidos se colocan luego en un autoclave y son tratados con un grado de vacío adecuado y a una temperatura que se eleva progresivamente hasta alrededor de 115 °C.

Al final del tratamiento, el aceite seco y desgasificado se introduce en el autoclave manteniendo el vacío lo más posible con el fin de impregnar internamente los aislantes, y asegurar la estabilidad dimensional de las fases para el montaje final.

1.20 DETERMINACION DEL NUMERO DE ESPIRAS DE LAS BOBINAS (PASO 3)

Las bobinas se encuentran asociadas -primario y su correspondiente secundario- sobre una misma columna.

Para los arrollamientos interno y externo, se dispone de los siguientes datos:

• Número de galletas
• Número de capas
• Número de rellenos por galleta (falsa espira, eventuales transposiciones)
• Distancia entre galletas
• Densidad de corriente
• Peso específico del conductor
• Resistividad del conductor
• Coeficiente de aprovechamiento (fija la relación entre la sección ocupada por el conductor y la sección correspondiente al conductor más la aislación)

Se individualiza el arrollamiento de menor tensión y se calcula el número de espiras correspondiente. Si se trata de un arrollamiento polifásico este número de espiras corresponde a una fase.

Como se sabe el número de espiras debe ser entero, y se obtiene como el producto del número de galletas por el número de espiras por galleta. Este último, es igual al número de espiras por capa por el número de capas menos el número de rellenos.

Para cumplir estas condiciones partiendo de los datos, el número de galletas, el número de capas y de rellenos por galleta, se determina para la máxima tensión, un número de espiras teórico. A partir de él deduce el número de espiras teórico por capa y a este último se lo convierte en entero (el programa en particular selecciona al más próximo), y se reconstruye el número de espiras definitivo (entero) de la bobina construible.

Se determina un coeficiente que se utiliza para corregir el flujo en función del número de espiras definitivamente adoptadas.

Se determina otro coeficiente de aprovechamiento definido como la relación entre el espacio ocupado por las espiras activas y el espacio ocupado por la bobina con los rellenos.

Con el valor del flujo corregido se determina para el arrollamiento de alta tensión, el número de espiras teórico por fase con el mismo procedimiento empleado anteriormente, y se determina, para la máxima tensión, el número de espiras teórico por capa.

Este valor se convierte en entero, y se calcula el número de espiras de la bobina construible.

Como el número de espiras de la bobina construible no coincide normalmente con el número de espiras teórico, obtenido con el valor del flujo corregido, tampoco coincide el valor de la máxima tensión con su correspondiente valor teórico. En consecuencia se obtiene otro coeficiente que se utiliza para corregir el valor de la tensión máxima del arrollamiento de mayor tensión, y se calcula para la máxima tensión el error de relación en por ciento.

El programa (en el estado actual) permite calcular solamente transformadores con devanados concéntricos, es decir, aquella disposición de los devanados en la cual el primario y el secundario colocados sobre el mismo núcleo, tienen la forma de cilindros concéntricos.

Los resultados de la ejecución del programa muestran la tabla que para cada valor de regulación indica la tensión del arrollamiento, la tensión de la bobina y el número de espiras. Esta tabla sirve para adoptar los números de espiras correspondientes a cada una de las tomas de regulación.

Veamos a continuación las adopciones que el programa hace (y que no necesariamente satisfacen el proyecto, debiéndoselas elegir adecuadamente en las sucesivas ejecuciones).

Por falta de datos el programa adopta el número de galletas igual a 1; el número de capas igual a 1; el número de rellenos igual a 0.

Si la distancia entre galletas no se impone, se la hace igual a 8 mm, pero si el número de galletas es menor o igual a uno, la distancia entre galletas no interesa (es nula).

En consecuencia naturalmente el programa hace una hélice continua de una sola capa.

Los arrollamientos se pueden realizar en cobre o aluminio.

Si la densidad de corriente no se ha impuesto, se adopta este valor igual a 2,7 A/mm2 que corresponde para una devanado realizado con cobre (para aluminio corresponde adoptar 1,7 A/mm2).

Estos son valores orientativos que requieren la realización de una verificación térmica mediante cálculos y posteriormente su comprobación experimental con un ensayo de calentamiento.

La elección entre conductor redondo hasta 2,5 mm de diámetro (para un mejor aprovechamiento del espacio) o planchuela está generalmente condicionada por el valor de la corriente en el arrollamiento.

Este valor en relación con la densidad de corriente que se adopte, decide la sección del conductor.

En algunos casos puede resultar indistinto utilizar conductor redondo o planchuela.

Se prefiere realizar los arrollamientos con planchuela cuando se requiere conferir mayor robustez mecánica a los arrollamientos de transformadores de modesta potencia y alta tensión, los cuales generalmente presentan una tensión de cortocircuito relativamente baja, y consiguientemente pueden estar sometidos a esfuerzos electrodinámicos intensos.

Algunos constructores utilizan para la producción en serie de transformadores de distribución (con una sensible reducción de costo), la técnica de construcción de los arrollamientos con conductores con forma de cinta de reducido espesor.

El ancho de la cinta, si la sección utilizada lo permite, se hace coincidir con la altura axial del arrollamiento. Esta condición se presenta unicamente para los arrollamientos de baja tensión.

Para los arrollamientos de alta tensión (la sección del conductor necesaria es generalmente pequeña) se recurre a la ejecución de varias galletas en serie construidas en modo análogo a las de baja tensión, colocadas una sobre la otra como los devanados a discos.

La construcción del arrollamiento se realiza disponiendo el conductor y el aislante conjuntamente sobre el mandril de la máquina bobinadora, partiendo del interior hacia el exterior de la bobina.

Los aislantes utilizados tanto para los arrollamientos de baja tensión como para los de alta tensión, son el clásico papel o bien laminados plásticos sintéticos con los espesores convenientes.

Los requisitos principales para obtener una bobina sin irregularidades y uniformemente compacta son: uniformidad de tracción sobre todo el ancho de la cinta y cupla de arrollamiento controlada para evitar la rotura del conductor.

Los extremos de conexión de los arrollamientos se realizan mediante un proceso de "soldadura en frío" de la cinta conductora con los extremos propiamente dichos.

Es conveniente mencionar que en el caso de que el arrollamiento se realice con cinta de aluminio, el problema de la unión no presenta hoy dificultad alguna para su ejecución.

Esta forma constructiva presenta algunas ventajas como ser:

• Mayor equilibrio de los esfuerzos electrodinámicos a lo largo de la columna.
• Reducción de las pérdidas por corrientes de Foucault.
• Mayor uniformidad de temperatura de los arrollamientos (con posibilidad de mayor sobrecarga).
• Reducida solicitación entre espiras con ondas de impulso debido a la elevada capacidad entre espiras.

El programa adopta por falta de datos para el peso específico el valor 8,9 kg/dm3 que corresponde al cobre (para aluminio 2,7 kg/dm3).

Para la resistividad se adopta 0,021 ohm.mm2/m que corresponde al cobre (para aluminio 0,034 ohm.mm2/m), en ambos casos estos valores están dados para una temperatura de 75 °C.

Si el coeficiente de aprovechamiento no está definido se lo hace igual a 0,6; en las sucesivas corridas, analizado como realizar el arrollamiento, es decir, cantidad de planchuelas en paralelo, dimensiones y disposición de las mismas, se puede imponer un valor más acorde a la solución constructiva.

El número de espiras teórico se determina mediante la fórmula: 

UC: tensión de cada bobina (kV)

FRE: frecuencia (Hz)

WB: flujo (Wb)

El programa determina un número de espiras por galleta que es igual al número de espiras teórico dividido el número de galletas.

Para tener en cuenta los eventuales rellenos, al valor anterior se le debe sumar el numero de rellenos.

Se determina el número de espiras por capa que es igual al valor anterior dividido por el número de capas, y a este valor se lo hace entero.

Se determina el número definitivo de espiras por galleta que es igual al valor anterior por el número de capas menos el número de rellenos.

Se determina el número total de espiras de la bobina "construible" que es igual al valor anterior por el número de galletas.

DIMENSIONAMIENTO DEL NUCLEO, DE LOS ARROLLAMIENTOS Y DISTANCIAS DIELECTRICAS (PASO 4).

La concepción de diseño del núcleo de columnas y acorazado es sensiblemente diferente en consecuencia los examinaremos separadamente.

1.21.1 Núcleo de columnas.

Para el núcleo de columnas este paso se inicia con los siguientes datos:

• Inducción
• Densidad lineal de corriente
• Relación de área yugo/columna
• Número de escalones del núcleo
• Coeficiente de aumento de pérdidas en los arrollamientos
• Distancia núcleo bobinado interno
• Distancia entre bobinas interna y externa
• Distancia entre bobinas adyacentes y bobina contra masa

La inducción se adopta en función de la potencia del transformador teniéndose presente su incidencia en las pérdidas y en la corriente de inserción.

Se determina la sección neta de la columna; se determina la sección bruta, teniendo en cuenta el factor de apilado.

El número de escalones se puede fijar en base a la potencia con la Tabla 1.7, de acuerdo con un criterio que tiene en cuenta el aspecto técnico y económico.

TABLA 1.7

Potencia	1	10	100	500	1000	1500	10000	40000
Escalones	1	2	3	4	5	6	7	8
Fac. util. geométrico	0.637	0.787	0.851	0.886	0.908	0.923	0.935	0.942

La sección neta de la columna es igual al flujo dividido la inducción.

Se calcula la sección bruta de la columna que es igual a la sección neta dividido el factor de apilado.

El factor de utilización geométrico que se obtiene de la Tabla 1.8, esta dado por la relación entre la sección bruta de la columna y la sección del círculo que la circunscribe. Con este último valor se calcula el diámetro circunscripto.

TABLA 1.8 - Dimensiones de los escalones referidas al diámetro del círculo circunscripto y factor de utilización geométrico.

Núm. Escalones	Dimensiones referidas al diámetro										Fac.util. geométrico
	L1	L2	L3	L4	L5	L6	L7	L8	L9	L10
1	0.707	¾	¾	¾	¾	¾	¾	¾	¾	¾	0.637
2	0.850	0.526	¾	¾	¾	¾	¾	¾	¾	¾	0.787
3	0.906	0.707	0.424	¾	¾	¾	¾	¾	¾	¾	0.851
4	0.934	0.796	0.605	0.356	¾	¾	¾	¾	¾	¾	0.886
5	0.950	0.846	0.707	0.534	0.313	¾	¾	¾	¾	¾	0.908
6	0.959	0.875	0.768	0.640	0.483	0.281	¾	¾	¾	¾	0.923
7	0.967	0.898	0.812	0.707	0.584	0.436	0.255	¾	¾	¾	0.935
8	0.972	0.910	0.842	0.755	0.657	0.541	0.417	0.239	¾	¾	0.942
9	0.977	0.929	0.867	0.794	0.707	0.608	0.498	0.370	0.214	¾	0.948
10	0.979	0.930	0.884	0.823	0.748	0.662	0.578	0.468	0.346	0.204	0.954

Con esta misma tabla se calculan las dimensiones de los escalones en valor relativo referidas al diámetro circunscripto, como se observa en la Figura 35.

El prensado de las columnas se puede realizar con pernos pasantes (debidamente aislados para evitar cortocircuitar las chapas magnéticas).

Según la tendencia actual el prensado de las columnas se realiza con placas de presión y cintas termocontraibles.

El núcleo de columnas se lo arma en su totalidad, y para el montaje de los devanados se retira chapa por chapa el yugo superior, el cual una vez centrados y fijados los devanados debe ser nuevamente montado.

La ejecución de juntas intercaladas oblicuas tiene por finalidad que las líneas de campo se establezcan en esta parte del núcleo en el sentido de la laminación, con el objeto de mantener las correspondientes pérdidas en el hierro en los valores mínimos.

La Figura 36 muestra una de las posibles formas constructivas de juntas intercaladas oblicuas, pudiendo observarse la posición de un trozo de columna y de un trozo de yugo en el primero y segundo estrato y finalmente ambos estratos sobrepuestos.

Como se puede observar se tiene, para este caso, una modesta reducción de la sección de pasaje del flujo entre la columna y el yugo, pero tiene la ventaja de que el corte de la chapa se realiza exclusivamente con guillotina.

La Figura 37 muestra un estrato completo de un núcleo trifásico a columnas donde se utiliza el tipo de junta intercalada oblicua antes citada.

Con lo indicado resulta intuitiva la construcción de juntas oblicuas para núcleos monofásicos a tres columnas, trifásicos a cinco columnas etc., pudiéndose además imaginar otras formas constructivas distintas a la presentada.

Es evidente que las juntas intercaladas oblicuas conducen, como se puede observar, a sensibles complicaciones constructivas del núcleo como así también un mayor equipamiento, tiempo de ejecución y desperdicio de material, pero es la forma utilizada en la técnica actual.

El valor de la densidad lineal de corriente se adopta en función de la potencia.

Se calcula la altura del bobinado más cercano al núcleo que es igual a la corriente por el número de espiras dividido el valor de densidad lineal de corriente.

Se determinan las distancias dieléctricas en función de la tensión para cada uno de los arrollamientos de acuerdo con los datos de las Figura 38 y Figura 39.

Estas figuras son válidas para transformadores en aceite y tienen en cuenta además las tensiones de ensayo a impulso atmosférico.

El paso finaliza determinando el espesor de cada arrollamiento y la sección de conductor.

El programa, cuando no se ha indicado el valor de inducción, lo selecciona en base a una tabla que contiene.

Cuando el número de escalones ha sido impuesto, se controla que el mismo esté comprendido en la Tabla 1.8, de no ser así el programa adopta el valor superior de la misma.

El programa adopta un factor de apilado 0,96 si no ha sido impuesto.

Si el valor de densidad lineal de corriente no ha sido impuesto, el programa lo adopta en función de la potencia utilizando la Figura 40, multiplicando los valores por un factor 1,1 para actualizarlos con los valores que los fabricantes están utilizando.

Se determina el espesor de cada arrollamiento de la siguiente manera:

NESP: número de espira
CC: corriente de bobina (A)
DENC: densidad de corriente (A/mm2)
COEAP: coeficiente de aprovechamiento (tiene en cuenta la aislación entre espiras y entre capas)
COEAPN: coeficiente que tiene en cuenta la presencia de rellenos
HB: altura del bobinado (mm)
NG: número de galletas
DISG: distancia entre galletas (mm)

Si el devanado tiene más de una galleta, se descuenta la distancia entre galletas.

Se determina la sección del conductor que es igual a la relación entre la corriente y la densidad de corriente.