convertidor de derivación es una variación del cicloconvertidor , inventado en 1981 por el ingeniero eléctrico de la ciudad de Nueva York Melvin Sandler y mejorado significativamente en 1982 a 1984 por los estudiantes graduados Mariusz Wrzesniewski, Bruce David Wilner y Eddie Fung. Mientras que el cicloconvertidor cambia entre una variedad de fases de entrada escalonadas para juntar una señal de salida extremadamente irregular, el convertidor de tomas sintetiza una señal mucho más suave al cambiar entre una variedad de tomas de salida de transformador (obviamente sincronizadas).
Toque posiciones [ editar ]
Tanto el espaciado lineal como el espaciamiento Vernier de potencia de dos estilos se pueden emplear para establecer las posiciones de derivación, por ejemplo , un transformador de cuatro derivaciones puede proporcionar derivaciones a 0.25, 0.5, 0.75, 1.0 (lineal) o 0.0625, 0.125, 0.25, y 0.5 (Vernier). (Las limitaciones del Vernier, en este caso, que la amplitud máxima obtenible es 0.9375, son menos perceptibles a medida que se agregan más toques).
Transformador Scott [ editar ]
Al emplear una conexión de entrada del transformador Scott , para proporcionar una fase en cuadratura , se puede obtener una forma de onda de salida aún más uniforme.
Prototipos [ editar ]
Los prototipos del dispositivo se construyeron y probaron en el campo en una variedad de condiciones, nominalmente como una fuente de energía de frecuencia constante de velocidad variable (VSCF) para aviones militares, y se construyeron modelos de computadora ornamentados para explorar más consideraciones inquietas, como la fuga de flujo , histéresis y características prácticas de tiristores . Todo este trabajo se realizó en la Cooper Union de Nueva York para el Avance de la Ciencia y el Arte .
Aplicaciones [ editar ]
A partir de 2007, el convertidor de derivación sigue sin comercializarse, pero se usa en varias aplicaciones militares debido a los armónicos de salida mínimos .
Una subestación de tracción , una planta de conversión de corriente de tracción o una subestación de potencia de tracción (TPSS) es una subestación eléctrica que convierte la energía eléctrica de la forma provista por la industria de energía eléctrica para el servicio público a un voltaje , tipo de corriente y frecuencia apropiados para suministrar ferrocarriles, tranvías (tranvías) o trolebuses con corriente de tracción .
Conversiones [ editar ]
Estos sistemas se pueden usar para convertir corriente alterna trifásica de 50 Hz o 60 Hz (CA) para el suministro de sistemas de electrificación ferroviaria de CA a una frecuencia más baja y monofásica , como la utilizada por muchos sistemas más antiguos, o para rectificar CA en corriente continua (DC) para aquellos sistemas (principalmente sistemas de transporte público) que usan DC para potencia de tracción.
Equipamiento [ editar ]
Rotación [ editar ]
Originalmente, el equipo de conversión generalmente consistía en uno o más conjuntos de motor-generador que contenían motores de CA trifásicos sincrónicos y generadores de CA monofásicos , acoplados mecánicamente a un eje común. También se utilizaron convertidores rotativos , especialmente donde la salida deseada era corriente continua de una fuente de corriente alterna.
Estática [ editar ]
En la década de 1920, DC se derivó utilizando válvulas electrónicas ( rectificadores de arco de mercurio ). En los sistemas modernos, se utilizan estaciones "consecutivas" de CC de alto voltaje ( HVDC ) en lugar de equipos mecánicos para convertir entre diferentes frecuencias y fases de alimentación de CA y se utilizan sistemas rectificadores de tiristores de estado sólido para la conversión de alimentación de CA a Potencia de tracción DC.
Ubicación [ editar ]
Las plantas convertidoras de corriente de tracción están descentralizadas (donde una planta suministra directamente las líneas aéreas o el tercer riel del sistema de tracción, sin alimentación a una red de distribución de corriente de tracción) o centralizadas (para el suministro de la red de potencia de tracción , generalmente además de el suministro directo de las líneas aéreas o tercer carril).
Las plantas convertidoras de corriente de tracción central se encuentran generalmente en Alemania (principalmente en las ciudades de Neckarwestheim , Ulm , Nuremberg ), Austria y Suiza , mientras que las plantas convertidoras descentralizadas de corriente de tracción se encuentran generalmente en Noruega , Suecia y los estados alemanes de Mecklemburgo-Pomerania Occidental y Brandeburgo. así como partes de Gran Bretaña . Una lista de sistemas de electrificación ferroviaria proporciona más detalles.
Un transformador es un dispositivo eléctrico pasivo que transfiere energía eléctrica de un circuito eléctrico a uno o más circuitos . Una corriente variable en cualquier bobina del transformador produce un flujo magnético variable , que, a su vez, induce una fuerza electromotriz variable a través de cualquier otra bobina enrollada alrededor del mismo núcleo. La energía eléctrica se puede transferir entre las (posiblemente muchas) bobinas, sin una conexión metálica entre los dos circuitos. La ley de inducción de Faraday descubierta en 1831 describió el efecto de voltaje inducido en cualquier bobina debido al cambio del flujo magnético rodeado por la bobina.
Los transformadores se utilizan para aumentar o disminuir los voltajes alternos en aplicaciones de energía eléctrica, y para acoplar las etapas de los circuitos de procesamiento de señales.
Desde la invención del primer transformador de potencial constante en 1885, los transformadores se han vuelto esenciales para la transmisión , distribución y utilización de energía eléctrica de corriente alterna. [2] Se encuentra una amplia gama de diseños de transformadores en aplicaciones de energía eléctrica y electrónica. Los transformadores varían en tamaño desde transformadores de RF de menos de un centímetro cúbico en volumen, hasta unidades que pesan cientos de toneladas utilizadas para interconectar la red eléctrica .
Principios [ editar ]
Ecuaciones de transformador ideales
Por la ley de inducción de Faraday:
. . . (ecuación 2)
Dónde es la instantánea de voltaje ,es el número de vueltas en un devanado, dΦ / dt es la derivada del flujo magnético Φ a través de un giro del devanado a lo largo del tiempo ( t ), y los subíndices P y S denotan primario y secundario.
Combinando la relación de eq. 1 y eq. 2:
Relación de vueltas . . . (ecuación 3)
Donde para un transformador reductor a > 1, para un transformador elevador a <1 font="" nbsp="" para="" un="" y="">transformador de aislamiento a = 1.
Por ley de conservación de energía , la potencia aparente , real y reactiva se conserva en la entrada y salida:
. . . . (ecuación 4)
. (ecuación 5)
Dónde es sinuosa autoinductancia.
. . . (ecuación 6)
. (ec. 7)
Dónde es la impedancia de carga del circuito secundario y es la carga aparente o la impedancia del punto de conducción del circuito primario, el superíndice denotando referido a la primaria.
Transformador ideal [ editar ]
Un transformador ideal es un transformador lineal teórico sin pérdidas y perfectamente acoplado . El acoplamiento perfecto implica permeabilidad magnética de núcleo infinitamente alta e inductancias de devanado y fuerza magnetomotriz neta cero (es decir, i p n p - i s n s = 0). [5] [c]
Una corriente variable en el devanado primario del transformador intenta crear un flujo magnético variable en el núcleo del transformador, que también está rodeado por el devanado secundario. Este flujo variable en el devanado secundario induce una fuerza electromotriz variable (EMF, voltaje) en el devanado secundario debido a la inducción electromagnética y la corriente secundaria así producida crea un flujo igual y opuesto al producido por el devanado primario, de acuerdo con la ley de Lenz .
Los devanados se enrollan alrededor de un núcleo de permeabilidad magnética infinitamente alta para que todo el flujo magnético pase a través de los devanados primario y secundario. Con una fuente de voltaje conectada al devanado primario y una carga conectada al devanado secundario, las corrientes del transformador fluyen en las direcciones indicadas y la fuerza magnetomotriz central se cancela a cero.
Según la ley de Faraday , dado que el mismo flujo magnético pasa a través de los devanados primario y secundario en un transformador ideal, se induce un voltaje en cada devanado proporcional a su número de devanados. La relación de voltaje del devanado del transformador es directamente proporcional a la relación de vueltas del devanado. [7]
La identidad del transformador ideal que se muestra en la ecuación. 5 es una aproximación razonable para el transformador comercial típico, con una relación de voltaje y una relación de vueltas de bobinado ambas inversamente proporcionales a la relación de corriente correspondiente.
La impedancia de carga referida al circuito primario es igual a la relación de vueltas al cuadrado por la impedancia de carga del circuito secundario. [8]
Transformador real [ editar ]
Desviaciones del transformador ideal [ editar ]
El modelo de transformador ideal descuida los siguientes aspectos lineales básicos de los transformadores reales:
(a) Pérdidas centrales, denominadas colectivamente pérdidas de corriente magnetizante, que consisten en [9]
- Pérdidas de histéresis debido a efectos magnéticos no lineales en el núcleo del transformador, y
- Pérdidas de corriente parásita debido al calentamiento de julios en el núcleo que son proporcionales al cuadrado del voltaje aplicado del transformador.
(b) A diferencia del modelo ideal, los devanados en un transformador real tienen resistencias e inductancias distintas de cero asociadas con:
- Pérdidas de julios debido a la resistencia en los devanados primario y secundario [9]
- El flujo de fuga que escapa del núcleo y pasa a través de un devanado solo da como resultado una impedancia reactiva primaria y secundaria.
(c) similar a un inductor , capacitancia parásita y fenómeno de autorresonancia debido a la distribución del campo eléctrico. Generalmente se consideran tres tipos de capacitancia parásita y se proporcionan las ecuaciones de bucle cerrado [10]
- Capacitancia entre giros adyacentes en cualquier capa;
- Capacitancia entre capas adyacentes;
- Capacitancia entre el núcleo y las capas adyacentes al núcleo;
La inclusión de capacitancia en el modelo del transformador es complicada y rara vez se intenta; el circuito equivalente 'real' del modelo de transformador no incluye la capacidad parásita. Sin embargo, el efecto de capacitancia se puede medir comparando la inductancia de circuito abierto, es decir, la inductancia de un devanado primario cuando el circuito secundario está abierto, con una inductancia de cortocircuito cuando el devanado secundario está en cortocircuito.
Flujo de fuga [ editar ]
El modelo de transformador ideal supone que todo el flujo generado por el devanado primario une todas las vueltas de cada devanado, incluido él mismo. En la práctica, algunos flujos atraviesan caminos que lo llevan fuera de los devanados. [11] Tal flujo se denomina flujo de fuga y produce inductancia de fuga en serie con los devanados del transformador acoplados mutuamente. [12] El flujo de fuga da como resultado que la energía se almacene y descargue alternativamente de los campos magnéticos con cada ciclo de la fuente de alimentación. No es directamente una pérdida de potencia, pero da como resultado una regulación de voltaje inferior , lo que hace que el voltaje secundario no sea directamente proporcional al voltaje primario, particularmente bajo cargas pesadas.[11] Por lo tanto, los transformadores normalmente están diseñados para tener una inductancia de fuga muy baja.
En algunas aplicaciones, se desea una mayor fuga, y se pueden introducir deliberadamente largas rutas magnéticas, espacios de aire o derivaciones de derivación magnética en un diseño de transformador para limitar la corriente de cortocircuito que suministrará. [12] Los transformadores con fugas se pueden usar para suministrar cargas que exhiben resistencia negativa , como arcos eléctricos , lámparas de vapor de mercurio y sodio y letreros de neón o para manejar de manera segura las cargas que se cortocircuitan periódicamente, como los soldadores de arco eléctrico . [9] : 485
Los espacios de aire también se utilizan para evitar que un transformador se sature, especialmente los transformadores de audio frecuencia en circuitos que tienen un componente de CC que fluye en los devanados. [13] Un reactor saturable aprovecha la saturación del núcleo para controlar la corriente alterna.
El conocimiento de la inductancia de fuga también es útil cuando los transformadores funcionan en paralelo. Se puede demostrar que si el porcentaje de impedancia [d] y la relación de reactancia a resistencia ( X / R ) de fuga del devanado asociada de dos transformadores fueran iguales, los transformadores compartirían la potencia de carga en proporción a sus respectivas clasificaciones. Sin embargo, las tolerancias de impedancia de los transformadores comerciales son significativas. Además, la impedancia y la relación X / R de diferentes transformadores de capacidad tienden a variar. [15]
Circuito equivalente [ editar ]
Refiriéndose al diagrama, el comportamiento físico de un transformador práctico puede estar representado por un modelo de circuito equivalente , que puede incorporar un transformador ideal. [dieciséis]
Las pérdidas de julio de bobinado y las reactancias de fuga están representadas por las siguientes impedancias de bucle en serie del modelo:
- Bobinado primario: R P , X P
- El devanado secundario: R S , X S .
En el curso normal de la transformación de equivalencia de circuito, R S y X S en la práctica generalmente se refieren al lado primario multiplicando estas impedancias por la relación de vueltas al cuadrado, ( N P / N S ) 2 = a 2 .
La pérdida del núcleo y la reactancia están representadas por las siguientes impedancias de la derivación del modelo:
- Pérdidas de núcleo o hierro: R C
- Reactancia de magnetización: X M .
R C y X M se denominan colectivamente la rama magnetizante del modelo.
Las pérdidas en el núcleo son causadas principalmente por histéresis y efectos de corrientes parásitas en el núcleo y son proporcionales al cuadrado del flujo del núcleo para operar a una frecuencia dada. [9] : 142–143 El núcleo de permeabilidad finita requiere una corriente magnetizante I M para mantener el flujo mutuo en el núcleo. La corriente de magnetización está en fase con el flujo, la relación entre los dos no es lineal debido a los efectos de saturación. Sin embargo, todas las impedancias del circuito equivalente mostrado son, por definición, lineales y tales efectos de no linealidad no se reflejan típicamente en los circuitos equivalentes de transformador. [9] : 142 Con sinusoidalsuministro, el flujo del núcleo retrasa el EMF inducido en 90 °. Con un devanado secundario de circuito abierto, la corriente de derivación de magnetización I 0 es igual a la corriente sin carga del transformador. [dieciséis]
El modelo resultante, aunque a veces se denomina circuito equivalente "exacto" basado en supuestos de linealidad , conserva una serie de aproximaciones. [16] El análisis puede simplificarse suponiendo que la impedancia de la rama de magnetización es relativamente alta y reubicando la rama a la izquierda de las impedancias primarias. Esto introduce error pero permite la combinación de resistencias primarias y secundarias referidas y reactancias por suma simple como dos impedancias en serie.
Transformador de impedancia de circuito equivalente y los parámetros de relación de transformación se pueden derivar de las siguientes pruebas: la prueba de circuito abierto , la prueba de cortocircuito , sinuosas prueba de resistencia, y el transformador de prueba ratio.
Ecuación de transformador EMF [ editar ]
Si el flujo en el núcleo es puramente sinusoidal , la relación para el devanado entre su voltaje rms E rms del devanado y la frecuencia de suministro f , número de vueltas N , área de sección transversal del núcleo a en m 2 y densidad de flujo magnético pico El pico B en Wb / m 2 o T (tesla) viene dado por la ecuación EMF universal: [9]
Polaridad [ editar ]
Una convención de puntos se usa a menudo en diagramas de circuitos de transformadores, placas de identificación o marcas de terminales para definir la polaridad relativa de los devanados de transformadores. El aumento positivo de la corriente instantánea que ingresa al extremo 'punto' del devanado primario induce un voltaje de polaridad positivo que sale del extremo 'punto' del devanado secundario. Los transformadores trifásicos utilizados en los sistemas de energía eléctrica tendrán una placa de identificación que indicará las relaciones de fase entre sus terminales. Esto puede ser en forma de diagrama fasorial , o usando un código alfanumérico para mostrar el tipo de conexión interna (estrella o triángulo) para cada devanado.
Efecto de frecuencia [ editar ]
La EMF de un transformador a un flujo dado aumenta con la frecuencia. [9] Al operar a frecuencias más altas, los transformadores pueden ser físicamente más compactos porque un núcleo dado puede transferir más potencia sin alcanzar la saturación y se necesitan menos vueltas para lograr la misma impedancia. Sin embargo, propiedades como la pérdida del núcleo y el efecto de piel del conductor también aumentan con la frecuencia. Las aeronaves y el equipo militar emplean fuentes de alimentación de 400 Hz que reducen el peso del núcleo y el devanado. [17] Por el contrario, las frecuencias utilizadas para algunos sistemas de electrificación ferroviaria fueron mucho más bajas (por ejemplo, 16,7 Hz y 25 Hz) que las frecuencias normales de servicio (50–60 Hz) por razones históricas relacionadas principalmente con las limitaciones de los primerosMotores de tracción eléctrica . En consecuencia, los transformadores utilizados para reducir los altos voltajes de la línea aérea eran mucho más grandes y pesados para la misma potencia nominal que los requeridos para las frecuencias más altas.
La operación de un transformador a su voltaje diseñado pero a una frecuencia más alta que la prevista conducirá a una corriente de magnetización reducida. A una frecuencia más baja, la corriente de magnetización aumentará. La operación de un transformador grande a una frecuencia distinta de su diseño puede requerir la evaluación de voltajes, pérdidas y enfriamiento para establecer si la operación segura es práctica. Los transformadores pueden requerir relés de protección para proteger el transformador contra sobretensiones a una frecuencia superior a la nominal.
Un ejemplo es en los transformadores de tracción utilizados para unidades múltiples eléctricas y servicios de trenes de alta velocidad que operan en regiones con diferentes estándares eléctricos. El equipo convertidor y los transformadores de tracción tienen que acomodar diferentes frecuencias de entrada y voltaje (que van desde 50 Hz hasta 16,7 Hz y hasta 25 kV).
A frecuencias mucho más altas, el tamaño del núcleo del transformador requerido cae drásticamente: un transformador físicamente pequeño puede manejar niveles de potencia que requerirían un núcleo de hierro masivo a la frecuencia de la red. El desarrollo de dispositivos semiconductores de potencia de conmutación hizo viables las fuentes de alimentación en modo conmutado , para generar una alta frecuencia y luego cambiar el nivel de voltaje con un transformador pequeño.
Los grandes transformadores de potencia son vulnerables a fallas de aislamiento debido a voltajes transitorios con componentes de alta frecuencia, como los causados por la conmutación o por rayos.
Pérdidas de energía [ editar ]
Las pérdidas de energía de los transformadores están dominadas por el devanado y las pérdidas del núcleo. La eficiencia de los transformadores tiende a mejorar al aumentar la capacidad del transformador. La eficiencia de los transformadores de distribución típicos es de entre 98 y 99 por ciento. [18] [19]
Como las pérdidas del transformador varían con la carga, a menudo es útil tabular la pérdida sin carga, la pérdida de carga completa, la pérdida de media carga, etc. Las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas son constantes en todos los niveles de carga y dominan sin carga, mientras que la pérdida de bobinado aumenta a medida que aumenta la carga. La pérdida sin carga puede ser significativa, de modo que incluso un transformador inactivo constituye un drenaje en el suministro eléctrico. El diseño de transformadores energéticamente eficientes para una pérdida menor requiere un núcleo más grande, acero de silicio de buena calidad , o incluso acero amorfo para el núcleo y el cable más grueso, lo que aumenta el costo inicial. La elección de la construcción representa una compensación entre el costo inicial y el costo operativo. [20]
Las pérdidas de transformadores surgen de:
- Sinuosas pérdidas de julios
- La corriente que fluye a través del conductor de un devanado provoca el calentamiento de julios debido a la resistencia del cable. A medida que aumenta la frecuencia, el efecto de piel y el efecto de proximidad provocan que la resistencia del devanado y, por lo tanto, las pérdidas aumenten.
- Pérdidas centrales
-
- Pérdidas de histéresis.
- Cada vez que se invierte el campo magnético, se pierde una pequeña cantidad de energía debido a la histéresis dentro del núcleo, causada por el movimiento de los dominios magnéticos dentro del acero. Según la fórmula de Steinmetz, la energía térmica debida a la histéresis está dada por
- y
- la pérdida de histéresis está dada por
- donde, f es la frecuencia, η es el coeficiente de histéresis y β max es la densidad de flujo máxima, cuyo exponente empírico varía de aproximadamente 1.4 a 1.8 pero a menudo se da como 1.6 para el hierro. [20]
- Eddy pérdidas actuales
- Las corrientes parásitas son inducidas en el núcleo del transformador de metal conductor por el campo magnético cambiante, y esta corriente que fluye a través de la resistencia del hierro disipa energía como calor en el núcleo. La pérdida de corriente parásita es una función compleja del cuadrado de la frecuencia de suministro y el cuadrado inverso del espesor del material. [20] Las pérdidas por corrientes parásitas se pueden reducir haciendo que el núcleo de una pila de laminaciones (placas delgadas) esté eléctricamente aislado entre sí, en lugar de un bloque sólido; Todos los transformadores que funcionan a bajas frecuencias utilizan núcleos laminados o similares.
- Transformador relacionado con la magnetostricción zumbido
- El flujo magnético en un material ferromagnético, como el núcleo, hace que se expanda físicamente y se contraiga ligeramente con cada ciclo del campo magnético, un efecto conocido como magnetostricción , cuya energía de fricción produce un ruido audible conocido como zumbido de red o "transformador tararear". [21] Este zumbido de transformador es especialmente objetable en transformadores alimentados a frecuencias de potencia y en transformadores de retorno de alta frecuencia asociados con CRT de televisión .
- Pérdidas perdidas
- La inductancia de fuga es en sí misma en gran medida sin pérdidas, ya que la energía suministrada a sus campos magnéticos se devuelve al suministro con el próximo medio ciclo. Sin embargo, cualquier flujo de fuga que intercepte materiales conductores cercanos como la estructura de soporte del transformador dará lugar a corrientes de Foucault y se convertirá en calor. [22]
- Radiactivo
- También hay pérdidas radiativas debido al campo magnético oscilante, pero generalmente son pequeñas.
- Vibración mecánica y transmisión de ruido audible.
- Además de la magnetostricción, el campo magnético alterno causa fuerzas fluctuantes entre los devanados primario y secundario. Esta energía incita la transmisión de vibraciones en carpintería metálica interconectada, lo que amplifica el zumbido del transformador audible.
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