La
energía eléctrica debe ser transportada desde el centro de producción hasta los
consumidores. El transporte se efectúa
en alta tensión para disminuir la intensidad
de corriente y, por tanto, la sección de los conductores.
Los
transformadores, con sus diferentes facetas y funciones, están presentes en
todas las etapas de utilización de la energía eléctrica adaptando la tensión a
las necesidades del transporte, la distribución y de los consumidores.
El transformador, es
y ha sido sin duda, el elemento determinante en el desarrollo de las redes de transporte
y distribución de corriente alterna.
Grandes transformadores de potencia
Cubren el rango de
potencias por encima de 250 MVA, suelen ser transformadores de interconexión de
red y generación con cambiadores de tomas con o sin carga, o una combinación de
ambos. Dependiendo de los requisitos del lugar, pueden diseñarse como
transformadores de devanados múltiples o autotransformadores, en versiones trifásicas
o monofásicas. Incluso con valores nominales de más de 1000 MVA y tensiones de
hasta 1200 kV, de acuerdo con IEC 60076, así como con otros estándares
internacionales y nacionales (p. ej., ANSI/IEEE), (fig. 1).
Figura
1: Transformador de gran potencia
Transformadores
de media potencia
Los transformadores de media potencia con un
rango de potencia de 30 a 250 MVA y una tensión superior a 72,5 kV también se
utilizan como transformadores elevadores de red y generación.
Transformadores
de pequeña potencia MT/MT
Los transformadores
de pequeña potencia son transformadores de distribución de 5 a 30 MVA con una
tensión máxima de servicio de 145 kV. Se utilizan como transformadores de red
en redes de distribución (fig. 2).
Este tipo de
transformadores son normalmente trifásicos y diseñados de acuerdo con las
normas nacionales e internacionales. Los devanados de baja tensión deben
diseñarse como devanados en disco o capa.
Los devanados de
alta tensión deben utilizar una ejecución de capa o disco, incluidos los
conductores transpuestos. Normalmente, el tipo de refrigeración es ONAN
(aceite-natural, aire-natural) u ONAF (aceite-natural, aire forzado). Las tomas
de regulación se pueden diseñar con cambiadores de tomas sin tensión o bajo
carga (OLTC).
Figura 2:
Transformador de distribución
Para saber más, ver artículo: “Necesidad delos transformadores de potencia en el transporte y la distribución eléctrica” .
Transformadores elevadores de Central
de Generación GSU (Generator step-up)
Figura 3: Unidad trifásica GSU 345/33 kV 760
MVA de una central nuclear
Los transformadores
elevadores de generación (GSU, pos sus siglas en inglés) son el enlace
imprescindible entre la central eléctrica y la red de transmisión, se cargan
con una potencia nominal del 100% las 24 horas del día y los 7 días de la
semana a lo largo del año. Se deben diseñar para que resistan la carga térmica
de altas corrientes que se alimentan en los bobinados del generador sin que se
produzca sobrecalentamiento, lo que acortaría su vida útil debido a un
envejecimiento acelerado.
Las unidades GSU
transforman la tensión desde el nivel de tensión del generador hasta el nivel
de tensión del sistema de transporte eléctrico, pueden alcanzar hasta los 1500
kV con potencias comprendidas entre los 2,5 MVA hasta 1300 MVA (3 fases) y 700
MVA (1 fase). Dichos transformadores suelen estar conectados en YNd.
Los diseñadores deben tener en cuenta las altas corrientes, los campos
magnéticos, las zonas de alta tensión, el flujo de aceite y el intercambio
térmico en cualquier parte de los bobinados para asegurar la máxima eficacia y
fiabilidad.
Transformadores de interconexión de
sistemas
Figura
4: Transformador de interconexión de 450 MVA, 800/400 kV
Los transformadores
de interconexión conectan sistemas de transmisión con diferentes tensiones para
que la potencia activa y reactiva se pueda intercambiar entre ellos. Estos
transformadores de potencia están diseñados para resistir a las fuertes
tensiones eléctricas de las corrientes y transitorias y de defecto.
Ya que los
transformadores de interconexión del sistema nunca se cargan con su potencia
nominal máxima, suelen caracterizarse por tener una potencia nominal estándar
para intercambiarse con otros transformadores. Se espera que estos
transformadores permanezcan en la red durante décadas, y en caso de fallo, la
energía fluirá con normalidad hacia otra bifurcación de red. Sin embargo, los
fallos sobrecargan la red y aumentan el riesgo de fallos en cascada, por eso la
alta fiabilidad de los transformadores de interconexión del sistema es crucial
para asegurar la estabilidad de la red.
Reactores (fig. 5)
Los reactores (o
reactancias, llamados a veces inductores o inductancias) no son transformadores
en el sentido de dispositivos que transforman la energía de un nivel de tensión
a otro, pero el hecho de tener una estructura y fabricación similares lo
convierten en un producto muy adecuado para una estación transformadora.
En las redes de CA,
los reactores en derivación (Shunt) y los reactores en serie son ampliamente
utilizados en los sistemas para limitar las sobretensiones o para limitar las
corrientes de cortocircuito. Cuando existen varias líneas aéreas de alta tensión,
con largas distancias de transmisión y con capacidad de red cada vez mayor,
ambos tipos de reactores juegan un papel importante en las redes modernas.
Los reactores en
baño de aceite se fabrican en dos versiones:
■ Con un núcleo de hierro dividido
por espacios de aire.
■ Sin núcleo de hierro, con un
circuito de retorno magnético
Figura
5: Reactores
Reactores Shunt
Las líneas de transmisión de gran longitud y las
grandes redes de cables de alto voltaje generan una cantidad importante de
potencia reactiva. Si no está equilibrada, se producirán aumentos de la tensión
crítica con cargas ligeras. Un reactor (el reactor shunt) instalado entre la
línea eléctrica y tierra proporciona un medio eficaz para controlar y compensar
esa generación reactiva. Esencialmente, el reactor shunt actúa como sumidero de
la potencia reactiva.
Para líneas de
transmisión de tensión extra alta (EHV), debido a la larga distancia, el
espacio entre la línea aérea y el suelo forma naturalmente un condensador
paralelo a la línea de transmisión, lo que provoca un aumento de tensión a lo
largo de la línea denominado “Efecto Ferranti”, ver artículo: “Técnicas para elcontrol del efecto Ferranti en líneas de Alta Tensión”
Los reactores Shunt
también se pueden construir con tomas de regulación ajustables. Esto ofrece la
posibilidad de afinar la tensión del sistema y también la reducción de equipos
de alta tensión mediante la sustitución de varios reactores no regulados por
uno regulado.
Para saber más, ver
artículo: “Técnicas para elcontrol del efecto Ferranti en líneas de Alta Tensión”
Reactores en
serie
Cuando las redes con
el tiempo se amplían, la corriente de cortocircuito en las líneas de
transmisión excederá la clasificación de corriente de cortocircuito de los
equipos instalados. La actualización de la tensión del sistema, la
actualización de la clasificación de los equipos o el empleo de transformadores
de alta impedancia son mucho más costosos que instalar reactores en serie en
las líneas.
Transformadores
de desplazamiento de fase
Figura
6: Transformador de desplazamiento de fase
La transferencia
masiva de energía es en su mayor parte un asunto pasivo, donde la energía fluye
hacia la carga por el camino de menor impedancia. Para influir en este flujo,
se debe modificar el ángulo de fase del extremo de envío o de recepción - esto
se puede hacer mediante el uso de transformadores de desplazamiento de fase. La
carga de las líneas individuales está determinada por el desfase entre los
nodos del sistema de transmisión. Un transformador desfasador ofrece una forma
de controlar este decalaje y por consiguiente, el flujo de carga.
Los transformadores
desfasadores se instalan en serie con la línea eléctrica y tienen una tensión
de salida igual a la de entrada, pero con una diferencia de fase variable.
Como sólo hay una
necesidad limitada de variar la diferencia de fase, se puede reducir la
complejidad del transformador desfasador para producir únicamente una tensión
en cuadratura; es por esto por lo que al aparato se le denomina transformador
desfasador.
Físicamente un
transformador desfasador está formado por dos transformadores: Una unidad
magnetizante y una unidad en serie.
Transformadores
HVDC
Figura
7: Transformador convertidor para sistema de transmisión bipolar UHVDC ± 800 kV
CC, 6400 MW; 2.071 km: monofásico; 550 kV CA, 816 kV CC; 321 MVA
La transmisión con
HVDC tiene grandes ventajas cuando se trata de transmisión de energía eléctrica
a larga distancia. Este sistema se utilizó por primera vez en las largas
transmisiones por cable de CC, para reducir la necesidad de atenuar la tensión
excesiva acumulada a lo largo del cable, producido por la potencia reactiva.
Para saber más, ver
artículo: “¿Por qué eltransporte de energía eléctrica a grandes distancias en C.C. es más eficienteque en C.A.?”
En las
transmisiones HDVC, el transformador eléctrico no sólo modifica las tensiones
para que se pueda intercambiar la potencia entre los sistemas de CA y CC,
también transforma la tensión de CA de un sistema trifásico a un sistema
exafásico. Esto permite reducir los armónicos generados por las corrientes de
las válvulas. Además, el transformador actúa de barrera para el potencial de
CC, evitando que la tensión de CC entre en el sistema de CA.
Los armónicos
producen pérdidas que deben tenerse en cuenta y minimizarse para evitar
recalentamientos locales peligrosos en estos transformadores. El potencial de
CC en los devanados de las válvulas origina un patrón de rigidez dieléctrica
diferente al generado por las tensiones de CA normales.
Estos
transformadores se construyen como una unidad monofásica con dos devanados
laterales de válvula, uno para la conexión en triángulo y el otro para la
conexión en estrella (ambos necesarios para alcanzar el desfase necesario). Los
dos devanados laterales de válvula se montan en columnas separadas en un mismo
núcleo y actúan eléctricamente como dos transformadores independientes.
Para saber más, ver
artículo:
“El diseño delaislamiento en transformadores convertidores de UHVDC”
Entre las ventajas
medioambientales destacan las menores pérdidas en la transmisión y la reducción
del uso de terreno para el trazado de las líneas.
Para saber más, ver
artículo: “Ventajas einconvenientes de las tecnologías HVAC y HVDC”
Transformadores
especiales para aplicaciones industriales
Figura 8: Transformador para
horno de arco eléctrico
Un segmento
importante en la familia de transformadores está constituido por grandes
transformadores para aplicaciones industriales, como los transformadores de
horno y los transformadores rectificadores para electrolisis.
Estos
transformadores se caracterizan por la tensión comparativamente baja del lado
secundario con corrientes extremadamente altas. Las corrientes de carga de 60
kA o más no son inusuales.
Estas corrientes
tan elevadas con un gran contenido en armónicos plantean desafíos importantes,
especialmente en cuanto a los altos flujos de campo magnético alrededor de los
conductores de salida y en torno a las partes de los conductores en contacto
con el aire. En los transformadores para hornos, las altas corrientes vienen
acompañadas por frecuentes cortocircuitos durante la fase inicial de
calentamiento del acero en el crisol. Para resistir estas fuerzas electrodinámicas
de cortocircuito y por la exigencia de amplios márgenes de regulación se
necesita un cuidado especial en su diseño y fabricación.
Transformadores para hornos de arco eléctrico
Estos
transformadores son necesarios para muchos procesos y aplicaciones de hornos
diferentes. Están construidos para hornos de arco eléctrico (EAF), hornos
cuchara (LF) y hornos de ferroaleaciones, y son similares a los transformadores
de horno de arco sumergido o en cortocircuito (fig. 8).
Los transformadores
EAF están diseñados sólidamente para resistir condiciones repetidas de
cortocircuito y alto estrés térmico, y para estar protegidos contra
sobretensiones operativas resultantes de los procesos de arco. Los reactores
EAF se construyen de tipo trifásico con núcleo de hierro, con o sin circuitos
de retorno magnético.
La carga es
cíclica. Para la operación de hornos de acero de arco, normalmente se requiere
reactancia en serie adicional para estabilizar el arco y optimizar la operación
del proceso de aplicación del horno.
Transformadores para hornos de arco eléctrico de CC
Se requieren
transformadores de horno de arco eléctrico de corriente continua (DC EAF) para
muchos procesos y aplicaciones para hornos diferentes.
Están construidos
para hornos de acero con rectificador de Tiristores. Los transformadores EAF de
CC funcionan en condiciones muy severas, como los transformadores
rectificadores en general, pero utilizan transformadores rectificadores para el
funcionamiento del horno.
Transformadores para rectificación
Figura
9: Transformador rectificador para planta de aluminio
Los transformadores
para rectificación se combinan con rectificadores de diodos o tiristores.
Las aplicaciones
van desde grandes transformadores para la electrólisis del aluminio hasta
transformadores de tamaño mediano para diferentes operaciones. Los
transformadores pueden tener una unidad de regulación de tensión incorporada o
separada.
Debido a la gran
variedad de aplicaciones, pueden tener distintos diseños y combinaciones de
regulación de tensión, transformadores para rectificación con configuraciones
duplicadas, desfasadores, reactores de interfase, transductores con devanados
de filtro.
Para saber más, ver
artículo: “Transformadores dedoble secundario: Solución a las cargas no lineales de los grandes gruposrectificadores”
Transformadores convertidores
Los transformadores
convertidores se utilizan para aplicaciones de grandes accionamientos,
compensación de tensión estática (SVC) y cambio de frecuencia estática (SFC).
Los transformadores
convertidores se construyen en su mayoría con dos devanados secundarios, lo que
permite operar con rectificadores de 12 pulsos. Dichos transformadores
normalmente tienen un devanado adicional como filtro para eliminar armónicos.
Son posibles diferentes grupos de conexión y cambios de fase.
Ver
artículo: “Transformador + rectificador ¿Qué acoplamiento elegir?”
Las aplicaciones
industriales de grandes variadores se basan en transformadores, que ofrecen una
adaptación de voltaje flexible para cumplir con el voltaje de entrada del
variador. Los transformadores convertidores están hechos a medida para
aplicaciones específicas en entornos hostiles. Suministran energía para
aplicaciones multipulso de grandes accionamientos y accionamientos eléctricos
de velocidad variable, como altos hornos, estaciones de bombeo o material
rodante en aplicaciones mineras.
Alimentación de catenarias
Este tipo de
transformadores realizan la conexión entre la red eléctrica y la fuente de
alimentación para los trenes. El transformador opera en condiciones críticas
específicas de cortocircuito y sobrecarga en frecuencias muy altas, se requiere
una mayor confiabilidad en su construcción para garantizar que los trenes
funcionen con seguridad.
Transformadores
de distribución en baño de aceite MT/BT
Figura
10: Transformador de distribución MT/BT de llenado integral en baño de aceite
Ocupan el último
eslabón de la cadena de transformación desde la central eléctrica al
consumidor, los transformadores de distribución (DT) proporcionan la energía
necesaria para la distribución en baja tensión. Por tanto, su funcionamiento
debe ser fiable, eficaz y, al mismo tiempo, silencioso.
Los transformadores
de distribución se utilizan para convertir energía eléctrica de media tensión,
generalmente hasta 36 kV, a baja tensión, generalmente de 250 a 435 V, con una
frecuencia idéntica antes y después de la transformación. Su aplicación está ubicada
principalmente en áreas suburbanas, suministro público, industrias y hogares.
Los transformadores
de distribución son resistentes, económicos y tienen una larga expectativa de
vida.
Los transformadores
sumergidos en líquido dieléctrico (figura 10) pueden ser monofásicos o
trifásicos. Durante el funcionamiento, los devanados pueden estar expuestos a
un alto esfuerzo eléctrico por sobrecargas externas y un alto esfuerzo mecánico
por cortocircuitos. Están construidos en cobre o aluminio. Los devanados de
baja tensión se fabrican con cable plano o banda, y los devanados de media
tensión se fabrican con cable redondo o plano.
Destacan tres
clases diferentes de transformadores MT/BT: estándar, especial y renovable.
Transformadores de distribución estándar:
· Transformadores de distribución de
baja potencia con núcleo arrollado o de núcleo apilado para montaje en poste (≤
2.500 kVA, Um ≤ 36 kV).
· Transformadores de distribución de
media potencia con tecnología de núcleo bobinado o núcleo apilado (> 2500 ≤
6300 kVA, Um ≤ 36 kV).
·
Gran transformador de distribución
(> 6,3 – 30,0 MVA, Um ≤ 72,5 kV).
·
Reguladores de tensión.
Transformadores de distribución especiales:
· Aplicación especial: DT
autoprotegido, DT de regulación (OLTC), DT de regulación electrónica, DT de
bajas emisiones u otros (autotransformador, transformador para convertidores,
doble piso, transformador multidevanado, transformador de puesta a tierra).
· Enfoque medioambiental: DT de
núcleo amorfo con pérdidas significativamente bajas sin carga, DT con un diseño
especial de baja pérdida de carga, DT de baja emisión con respecto al ruido y/o
emisiones de campos electromagnéticos, DT con éster natural o sintético donde
se requiere resistencia y/o biodegradabilidad.
Transformadores de distribución renovables:
· Utilizado en estaciones de energía
eólica, plantas de energía solar u olas del mar/plantas generadoras de energía
...
Para saber más, ver
artículo: “Evaluación de la calidad de los Transformadores de Distribución yextensión a los Centros de Transformación”
Transformadores de distribución secos
encapsulados en resina epoxy MT/BT
Figura
11: Transformador seco encapsulado en resina epoxy MT/BT
Los transformadores
de potencia y distribución secos encapsulados en resina epoxy con valores
nominales de 100 a aproximadamente 50 000 kVA y valores de impulso tipo rayo
(LI) de hasta 250 kV son sustitutos completos de los transformadores sumergidos
en aceite con datos eléctricos y mecánicos comparables. Están diseñados para su
instalación en interiores cerca de su punto de utilización en el centro de los
principales consumidores de carga. El uso exclusivo de materiales aislantes
ignífugos libera a estos transformadores de todas las restricciones que se
aplican a los equipos eléctricos rellenos de aceite, como la necesidad de fosos
colectores de aceite, paredes cortafuegos, equipos de extinción de incendios. Esta
tecnología no sólo es de difícil combustión y auto extinguible, sino también
resistente a la humedad, clima tropical y asegura un bajo nivel de ruido. Para su
uso en exteriores, pueden disponer de envolventes metálicas especialmente
diseñadas.
Los transformadores
de resina con regulación de tensión conectados en el lado de la carga del
sistema de alimentación de media tensión alimentan los transformadores de distribución
de la planta. Los transformadores controlados por cambiadores de tomas en carga
que se utilizan en estos sistemas de media tensión deben tener clasificaciones
apropiadamente altas, son transformadores adecuados en su diseño (fig. 12),
disponibles en valores nominales de hasta 50 MVA. El rango de tensión nominal
se extiende a 36 kV, y la tensión de impulso máximo es de 200 kV (250 kV). Las
principales aplicaciones de este tipo de transformadores se encuentran en
modernas plantas industriales, hospitales, edificios de oficinas y apartamentos
y centros comerciales.
Figura
12: Transformadores Siemens de resina epoxy de 16/22 MVA con cambiador de tomas
en carga sin aceite
La unión de módulos
de cambiador de tomas de 1 polo mediante ejes aislantes produce un cambiador de
tomas bajo carga de 3 polos para regular la tensión de salida de los
transformadores trifásicos. En sus nueve posiciones de funcionamiento, este
tipo de conmutador tiene una corriente nominal de 500 A y una tensión nominal
de 900 V por paso. Esto permite mantener fluctuaciones de tensión de hasta
7.200 V.
Para saber más, ver
artículo: “¿Qué elegir: Transformadores en baño de aceite o secos?”
Reguladores de
tensión
Figura
13: Regulador monofásico de tensión
Los reguladores de tensión
son autotransformadores con tomas que se utilizan para garantizar que se mantenga
el nivel deseado de tensión en las líneas en todo momento. Un regulador de tensión
consta de un autotransformador con tomas y un cambiador de tomas. El regulador
de tensión estándar proporciona un ajuste de ± 10 % en treinta y dos pasos de
0,625 %. También existen algunos diseños de reguladores de tensión con
regulación de ± 15 % y ± 20 %.
Los reguladores de tensión
están sumergidos en aceite y pueden ser monofásicos o trifásicos. Pueden ser
autoenfriados o enfriados por aire forzado. Disponibles en 50 o 60 Hz y con
aumento de temperatura de 55 o 65 °C, pueden utilizarse en cualquier sistema
eléctrico para mejorar la calidad de la tensión.
Los valores
nominales del regulador se basan en el porcentaje de regulación ( normalmente ±
10 %). Por ejemplo, un conjunto de tres reguladores monofásicos de 333 kVA se
usaría con un transformador de 10 MVA (p. ej., 10 MVA × 0,10/3 = 333 kVA). Los
reguladores de tensión monofásicos se utilizan desde 2,5 kV a 19,9 kV y desde
38,1 kVA a 889 kVA (fig. 13). Los reguladores de tensión trifásicos se utilizan
desde 13,2 kV a 34,5 kV y desde 500 kVA hasta 4.000 kVA.
Transformadores
de tracción
Figura 14: Transformador de
tracción para trenes de alta velocidad
Son transformadores para aplicaciones ferroviarias
llamados transformadores de tracción. Estos transformadores se instalan en
trenes de alta velocidad, unidades múltiples eléctricas (EMU) y locomotoras
eléctricas. Su objetivo principal es transformar la tensión de la catenaria,
que oscila principalmente entre 15 kV y 25 kV, en tensiones adecuadas para
convertidores de tracción (entre 0,7 kV y 1,5 kV) (fig. 14).
Técnicamente, los
transformadores de tracción se caracterizan en general de la siguiente manera:
·
Transformadores monofásicos
·
Potencias nominales de hasta 10
MVA y superiores
·
Frecuencias de funcionamiento de
16⅔ a 60 Hz
·
Tensiones: 1,5 kV CC, 3 kV CC, 15
kV, 25 kV, 11,5 kV u otras soluciones específicas
·
Peso: < 15 t
·
Operación de sistema único o
múltiple
·
Montaje bajo suelo, cuarto de
máquinas o cubierta
·
Devanados de tracción para ser
utilizados como filtros de línea
·
Reactancias con circuito integrado
de absorción
·
Refrigeración en aceite mineral,
silicona o éster vegetal.
