jueves, 29 de junio de 2023
martes, 27 de junio de 2023
Transformadores de interconexión de sistemas
Los transformadores
convencionales de interconexión -elevadores o reductores- conectan las redes de
c.a. o los sistemas de diferentes voltajes para permitir el intercambio de
potencia. Deben estar diseñados, por tanto, para soportar los requerimientos
específicos de cada sistema.
Estos transformadores
proporcionan aislamiento galvánico entre las redes y pueden ser trifásicos o
bien bancos monofásicos, dependiendo de las prioridades del usuario final y de
las limitaciones de transporte. A menudo se diseñan también para ofrecer un
amplio rango de regulación de tensiones al incorporar cambiadores de tomas bajo
carga o sin carga.
La potencia nominal de estos
transformadores puede ser bastante alta, por ejemplo 1.000 MVA, y a veces se
fabrican con devanados autoconectados (autotransformadores) que constituyen una
solución que facilita el transporte de la fábrica al lugar de instalación por
su menor peso y dimensiones físicas. Además, el coste de fabricación es
inferior al de un transformador con devanados separados. Esta solución es
posible siempre que la relación de transformación esté entre 1 y 2. Sin
embargo, dado que sus devanados no están separados, en este caso no existe
aislamiento galvánico entre los sistemas interconectados.
La relación de vueltas de estos
transformadores a veces es fija, mientras que en otros casos se pueden prever
tomas de regulación. Es posible que las diferentes tomas no influyan
notablemente en la tensión a ambos lados del transformador. Sin embargo, las
tomas permiten influir en el intercambio de potencia reactiva entre los
sistemas.
El aislamiento de los devanados
suele ser gradual. En los transformadores de devanados separados, las tomas se
colocan en el extremo neutro de uno de los devanados. En los autotransformadores,
las tomas suelen estar situadas en las fases del lado de baja tensión. Véase la
figura 1.
Figura 1
Las tomas se sitúan a veces en el
punto neutro de los autotransformadores, donde el nivel de tensión a tierra y
las diferencias de tensión entre fases son menores. De este modo, se puede
utilizar un cambiador de tomas más sencillo y barato.
Por otro lado, las tomas en el
neutro necesitarán un mayor número de espiras en el rango de toma para
conseguir la misma variación en la relación de espiras que cuando las tomas
están situadas de forma directa o en el terminal de alta tensión.
Los dos devanados principales de
un autotransformador se denominan devanado común y devanado en serie. El
devanado común está conectado al neutro y, como su nombre indica, las espiras
de este devanado son comunes para ambos lados del transformador. El devanado en
serie está conectado por un extremo al devanado común y por el otro al terminal
de alta tensión. La corriente de alta tensión circula por el devanado serie. La
corriente que circula por el devanado común es la diferencia entre la corriente
de baja tensión y la de alta tensión. La corriente en el devanado común fluye
en dirección opuesta a la corriente en el devanado en serie. El devanado común
y el devanado en serie están dispuestos como bobinas cilíndricas concéntricas,
y los amperios-vuelta en los dos devanados son iguales en valor y opuestos en
dirección.
La ventaja de un
autotransformador frente a un transformador con devanados separados es que el
autotransformador requiere menos material y, en consecuencia, tiene menores
dimensiones totales, menor masa, menores costes de fabricación y menores
pérdidas.
La potencia nominal equivalente
de dos devanados separados de un autotransformador indica la magnitud del
ahorro y viene dada por la siguiente ecuación:
Los términos de esta ecuación son
los siguientes:
Se es la potencia
nominal equivalente de dos devanados separados del transformador
Sr es la potencia
nominal del transformador
UrHv es la alta
tensión nominal del transformador
UrLv es la baja
tensión nominal del transformador
Esta ecuación establece que la
potencia nominal equivalente de dos devanados separados es proporcional a la
diferencia entre la alta tensión nominal y la baja tensión nominal del
transformador. La masa del transformador, las dimensiones totales, el coste de
fabricación y las pérdidas no son directamente proporcionales a la potencia
nominal equivalente de dos devanados independientes, pero todas estas
propiedades muestran una tendencia decreciente con la disminución de la
potencia nominal equivalente de dos devanados independientes.
Cuanto menor sea la diferencia
entre la alta tensión y la baja tensión, menor será Se y
mayor será el ahorro del autotransformador en lugar de un transformador con
devanados separados.
Asimismo, la impedancia de
cortocircuito del transformador muestra una tendencia decreciente a medida que
disminuye la diferencia entre la alta tensión y la baja tensión. Cuando esta
diferencia de tensión es muy pequeña, la impedancia de cortocircuito del transformador
también es pequeña, lo que hace que la caída de tensión en el transformador sea
baja. Esto es una ventaja.
Por otro lado, la baja impedancia
de cortocircuito del transformador puede hacer que la corriente de
cortocircuito del sistema sea tan alta que las fuerzas electrodinámicas en el
transformador superen su capacidad de resistencia. Una solución a este problema
podría ser instalar reactores limitadores de corriente en serie con el
autotransformador.
Otro inconveniente de los
autotransformadores es que, debido a la conexión metálica entre los circuitos a
ambos lados, una perturbación en uno de los circuitos afecta también al otro.
Si, por ejemplo, se produce un fallo a tierra monofásico en uno de los
circuitos, la subida de tensión a tierra en las fases sanas se producirá en
ambos circuitos. Si el defecto a tierra se produce en el circuito que tiene la
tensión más alta, el aumento de tensión a tierra en las fases sanas del
circuito de baja tensión puede llegar a ser muy alto, dependiendo de la
diferencia de tensión de los dos circuitos. La puesta a tierra directa del
neutro mitigará este fenómeno.
Una de las aplicaciones más
comunes de la autoconexión es en grandes transformadores de interconexión de
sistemas de alta tensión en los que el neutro del sistema se conecta
directamente a tierra. Estos transformadores suelen ser unidades muy grandes
con núcleos de 5 columnas o acorazados. Normalmente se incluye un devanado
terciario con conexión en triángulo para proporcionar una baja impedancia de secuencia
homopolar y corrientes magnetizantes para evitar los armónicos triples en el
flujo magnético y en las tensiones inducidas. Si el devanado terciario no está
destinado a conectarse a ninguna red eléctrica, una extremidad del devanado
debe conectarse sólidamente a tierra para fijar el potencial del devanado.
Es importante que estos
autotransformadores estén protegidos contra sobretensiones transitorias en
ambos lados mediante descargadores de sobretensión entre las fases y tierra.
En determinadas zonas geográficas
pueden existir tensiones de sistema de varios niveles, a menudo por razones
históricas, y suele ser necesario conectar estos sistemas entre sí mediante
transformadores.
Debido a la gran dependencia de
la energía eléctrica en la sociedad moderna, se necesitan transformadores de
repuesto para estos puntos de conexión del sistema.
Para evitar un gran número de
transformadores de repuesto, cada uno con una relación de tensión específica
adecuada para su uso en un punto de conexión concreto del sistema eléctrico, se
puede fabricar un transformador de repuesto con relaciones de tensión
diferentes. De este modo, dicho transformador podrá utilizarse en diferentes
puntos del sistema.
Figura 2
En la Figura 2 se muestra un
ejemplo de esquema de conexión para un autotransformador de este tipo. El autotransformador
está conectado en YN con un cambiador de tomas bajo carga en el neutro. El
terminal de baja tensión puede conectarse a una de varias tomas en vacío. De
este modo se consiguen las siguientes relaciones de tensión: 400kV a 230kV,
400kV a 132kV, 400kV a 110kV, 230kV a 132kV y 230kV a 107kV. Mediante el
cambiador de tomas en carga, la relación de transformación puede ajustarse
algunos porcentajes al alza o a la baja, variando un poco en función de las
tensiones concretas del sistema para las que se utilice el autotransformador.
La potencia nominal máxima es de 450 MVA a una relación de tensión de 400/230
kV.
En otras relaciones de tensión,
la potencia nominal oscila entre 325 y 200 MVA, dependiendo de la relación de
tensión utilizada. El transformador tiene también un devanado terciario
conectado en triángulo que limita la impedancia homopolar del transformador a
un valor razonablemente bajo. La tensión y la potencia nominal del devanado
terciario dependen de la tensión aplicada en el terminal de alta tensión, 400 o
230 kV.
Figura 3.- Autotransformador
trifásico de interconexión de sistemas de 450 MVA
viernes, 23 de junio de 2023
Transformadores desfasadores (Phase shifters, PST)
Como todos los sistemas de la red de alta tensión se encuentran hoy conectados entre sí en varios puntos, el control del flujo de energía se hace cada vez más necesario. La regulación de tensión clásica sin desplazamiento de fase ya no es suficiente en estas situaciones.
La solución son los transformadores para regulación del ángulo de fase o desfasadores (PST, de su abreviatura en inglés). Estos se dividen en dos familias: PST con una parte activa (un solo núcleo) y PST con dos partes activas (doble núcleo). Una parte activa permite regular independientemente el ángulo de fase y la tensión, hasta un cierto nivel de tensión y de potencia limitados. Para potencias y tensiones más altas, lo ideal es un PST con dos partes activas.
Un transformador desfasador es un
tipo especial de transformador de interconexión de sistemas. Ofrece la
posibilidad de insertar una tensión con un decalaje de fase arbitrario en el
sistema eléctrico. Se utiliza con dos fines principales:
- Para controlar el flujo de
potencia entre dos grandes sistemas de potencia independientes;
- Para equilibrar la carga cuando
los sistemas de potencia están conectados entre sí en más de un punto, con
existencia de bucles y las impedancias en trayectorias paralelas dan lugar a
una distribución no deseada del flujo de potencia en las trayectorias.
A continuación, se ilustran algunos
ejemplos.
Figura 1
A y B en la Figura 1 son dos
sistemas de potencia conectados por una línea con impedancia Z. Para transmitir
potencia activa del sistema A al sistema B, la tensión a la izquierda de Z, U,
debe estar adelantada con respecto a la tensión a la derecha de Z. Para
simplificar la ilustración, se desprecia la parte real de Z y se supone que el
factor de potencia en B es 1. El transformador es un transformador desfasador
que inserta una tensión ΔU en serie con la impedancia Z. El transformador se
considera ideal, es decir, se desprecia la impedancia del transformador. Las
tensiones en A y B son aproximadamente iguales, UA≈UB.
ΔU
se ajusta de forma que:
ΔU
– I · Z = 0
Se aplica el siguiente diagrama
vectorial:
Figura 2
En otro ejemplo hay dos sistemas
de potencia que están unidos en dos puntos. El flujo de potencia va entonces en
dos ramas con impedancias ZA y ZB. El valor de las dos
impedancias determina la distribución del flujo de potencia a través de las dos
ramas. Esta distribución puede no cumplir con la distribución deseada.
Figura 3
Mediante un transformador
desfasador se introduce una tensión ΔU en el sistema B, que aumenta la
intensidad IB y disminuye IA para una intensidad de carga
total I dada. Lo ilustraremos con un ejemplo numérico.
Supongamos que la diferencia
entre ZA y ZB es bastante grande, digamos ZA =
300 y ZB = 3000, es decir, de relación 1:10. Para simplificar la
demostración del efecto principal del uso de un transformador desfasador, no se
tendrá en cuenta la parte real de ZA y ZB. Supongamos
además que la tensión del sistema es de 800 kV y que la potencia total que se
transmite del lado izquierdo al derecho en la figura es de 1000 MVA. La
corriente total I es entonces de 722 A. Supongamos primero que ΔU
= 0, es decir, que no existe transformador desfasador en el sistema B. Unos
cálculos sencillos muestran que IA = 656 A e IB = 66 A,
lo que representa el 9 y el 91% de la corriente de carga total,
respectivamente.
Supongamos que la distribución
deseada de la corriente de carga es, por ejemplo, el 50% de la corriente total
en cada uno de los dos sistemas A y B. 361 A provocan una caída de tensión de
10 830 V en ZA y 108 300 V en ZB. Un ΔU
de tensión adicional insertado en el sistema B para aumentar la corriente a
través de ZB de 66 a 361 A debe entonces compensar la diferencia de
97 470 V entre las dos caídas de tensión.
Un transformador desfasador puede
proporcionar esta tensión adicional. Supongamos que el factor de potencia de la
corriente de carga I es 1. Las siguientes relaciones vectoriales existen
antes y después de la inserción de ΔU, ver Figura 4.
Figura 4
Para conseguir ΔU,
el transformador desfasador debe proporcionar en sus bornes secundarios una
tensión UT superior a la tensión primaria U1 y, además,
decalada un ángulo δ en sentido positivo con respecto a U1 (el
sentido positivo se define en sentido antihorario). δ puede calcularse a partir del
diagrama vectorial de la derecha y es, en este caso, de 11,9º.
Si la corriente de carga total es
sólo la mitad de 722 A y se sigue deseando una distribución del 50/50% entre
los sistemas A y B, las caídas de tensión a través de ZA y ZB
serán sólo la mitad de las del ejemplo anterior. La necesidad de tensión
adicional para conducir la corriente deseada a través de ZB también
será entonces sólo la mitad, es decir, 0,5 · 97 470 V = 48 735 V. El ángulo de
desplazamiento δ pasa a ser ahora de 6°.
Si ZB hubiera sido
menor que ZA, la dirección de ΔU debería ser la opuesta para
evitar que la corriente IB fuera demasiado alta en relación con la
distribución de carga deseada.
También el factor de potencia (cos φ) de la corriente de carga I influye en el ángulo de desplazamiento requerido.
En el ejemplo anterior no se ha
tenido en cuenta la impedancia del transformador desfasador. En realidad, la
impedancia del transformador se sumará a la impedancia del sistema y puede
hacer necesario un desplazamiento angular mayor.
Cabe señalar que el transformador
desfasador influye en el intercambio de potencia activa y reactiva entre
sistemas o ramas de sistemas.
Para cumplir las intenciones del
usuario, el transformador desfasador debe ser capaz de variar el ángulo de
desplazamiento en pasos adecuados dentro de un rango determinado.
La forma básica de proporcionar
un ángulo de desplazamiento variable (desplazamiento de fase) entre la tensión
primaria y secundaria en un transformador consiste en conectar el devanado de
un transformador trifásico de un sistema o rama en serie con un devanado del
transformador situado en otro sistema o rama.
Figura 5
En principio, el desplazamiento
angular puede obtenerse mediante un transformador trifásico de un solo núcleo.
Sin embargo, la aplicación de los transformadores de desplazamiento de fase es
principalmente en sistemas de muy alta tensión, y la potencia nominal de paso
es bastante grande. Para ajustar la tensión y la corriente a los cambiadores de
tomas disponibles, puede ser necesario utilizar dos transformadores separados,
uno principal y otro en serie En el circuito donde se encuentra el cambiador de
tomas, la tensión puede elegirse independientemente de la tensión de servicio
de la red eléctrica.
Figura 6
La figura 6 muestra un diagrama
principal de cómo se conectan entre sí el transformador principal y el
transformador serie. El cambiador de tomas suele estar situado en el secundario
del transformador principal.
En la figura 7 se muestra un
diagrama de conexión trifásica más detallado. Una tensión, que puede variar de magnitud,
procedente del secundario del transformador principal se aplica a una fase
diferente del primario del transformador serie. La tensión transferida al
secundario (alta tensión) del transformador serie se desplazará entonces un
ángulo 2π/3
con respecto a la tensión del lado de la fuente. Al variar la magnitud de la
tensión insertada por el transformador serie se consigue un ángulo variable δ
entre la tensión del lado de la fuente y la tensión total del lado de la carga
del transformador de cambio de fase, que es la suma vectorial de la tensión del
lado de la fuente y la tensión desplazada 2π/3 proporcionada por el
transformador serie.
Figura 7
La disposición con transformador
principal y serie también puede realizarse de muchas otras formas diferentes.
El desplazamiento de fase requiere una cierta potencia aparente, que se ilustra
en la figura 8.
Figura 8
Del diagrama se deduce que Sδ =
2·S·sen(0,5·δ),
donde Sδ
es la potencia de desfase y S la potencia aparente de paso. El transformador
principal y el transformador serie deben estar dimensionados para la potencia
máxima de desfase.
Si, por ejemplo, el ángulo máximo
δ
= 30° y la potencia aparente nominal de paso es de 1000 MVA, la potencia
nominal del transformador principal y del transformador serie será de 520 MVA
cada uno (1000·2·sen(30/2) = 520). En la mayoría de los casos, la tensión de
servicio también es alta.
En otras palabras, las unidades
son bastante grandes. Debido a las limitaciones de transporte, los dos
transformadores suelen colocarse en cubas separadas.
En cuanto a la protección
diferencial por relé de los transformadores desfasadores, hay que tener en
cuenta que una diferencia de ángulo de fase considerable entre la corriente de
origen y la de carga provoca una diferencia de corriente normal mucho mayor que
en los transformadores de potencia ordinarios, por lo que se requiere un
esquema diferencial especial.
Un cortocircuito en el circuito
entre el transformador principal y serie sería muy perjudicial para los
transformadores, por lo que se recomienda prever canalizaciones alrededor de
los conductores que conectan el secundario del transformador principal y el
primario del transformador serie.
En los transformadores desfasadores
con transformador principal y serie (diseño con dos núcleos) hay una cuestión
de diseño dieléctrico que requiere especial atención. Si se produce una tensión
transitoria en cualquiera de los lados del devanado en serie del transformador serie,
el devanado conectado del transformador magnetizador también estará expuesto a
una tensión elevada, y pueden producirse oscilaciones de alta frecuencia en los
conductores que conectan los dos transformadores. Para calcular la distribución
de tensiones transitorias en esta configuración pueden ser necesarios modelos
matemáticos más completos que en un transformador de un solo núcleo.
El uso de transformadores
desfasadores es siempre un caso especial, donde el criterio de diseño varía de
un cliente a otro en base a las especificaciones y requisitos de cada red. Como
estos transformadores constan generalmente de unidades muy pesadas y de gran
potencia, las limitaciones de fabricación y de transporte deben tenerse muy en
cuenta.
Se recomienda un diálogo entre el
comprador y el proveedor sobre la protección contra sobretensiones.
Elevadores de cuadratura (QB)
Una variante de los PST de doble
núcleo, el elevador de cuadratura (Quadrature Booster en inglés), ofrece una
solución económica cuando se requieren ángulos de desfase y variaciones de
tensión limitados.
Figura 9:
Transformador elevador de cuadratura de 2750 MVA, 80/400 kV
Los transformadores elevadores de cuadratura son combinados
para la regulación de potencia o auto transformadores con un transformador
desfasador, el transformador desfasador, el cual puede ser de un núcleo o dos, es
alimentado desde el lado de regulación del transformador de potencia, como se
muestra en la figura 10. Este método permite que el voltaje de salida sea
ajustado en cuatro cuadrantes tanto en magnitud como en fase.
Figura 10: Esquema de conexión simplificada de un transformador elevador de cuadratura
Información que debe facilitar
el comprador en la especificación
Además de la información
necesaria sobre los transformadores de potencia ordinarios, en primer lugar hay
que indicar la gama de desplazamiento angular total deseada. La gama de
desplazamiento debe especificarse principalmente en vacío. Sin embargo, el
comprador debe asegurarse de que la gama sea lo suficientemente amplia también
en las condiciones de carga pertinentes, ya que la impedancia del
transformador, que puede variar considerablemente en la gama de regulación de
los transformadores desfasadores, hace que la gama de desplazamiento sea menor
que en vacío. Por lo tanto, el comprador debe especificar la gama de
desplazamiento deseada en condiciones de carga específicas o, alternativamente,
indicar las gamas aceptables para la impedancia del transformador.
Además, el comprador debe
facilitar información al proveedor sobre:
- el sistema eléctrico en el que
va a funcionar el transformador;
- la finalidad del transformador;
- los dispositivos de maniobra
que se van a utilizar para poner y quitar el transformador de servicio;
- si se va a instalar un
interruptor de derivación;
- si el transformador va a
funcionar en serie con baterías de condensadores en serie;
- si el transformador va a
funcionar con otros dos o más transformadores desfasadores en paralelo o en
serie.
La lista anterior no debe
considerarse exhaustiva.
También cabe hacer referencia a
las normas IEEE C57.135-2001 y CEI 62032:2012 Guide for the Application,
Specification, and Testing of Phase-Shifting Transformers.
miércoles, 21 de junio de 2023
sábado, 17 de junio de 2023
miércoles, 14 de junio de 2023
lunes, 12 de junio de 2023
Transformadores para convertidores
Una de las principales
diferencias con otros tipos de transformadores es que las corrientes de carga
contienen armónicos más altos debido a la forma de onda distorsionada. La forma
de onda distorsionada de la corriente está causada por el convertidor conectado
al transformador. Las corrientes con frecuencias múltiples de la frecuencia
neta fluyen del convertidor al transformador. Esto debe tenerse en cuenta al
diseñar el transformador, ya que la corriente armónica provoca mayores pérdidas
y temperaturas en el transformador. La normativa de la red también exige la
reducción de la distorsión armónica. El uso más común de los transformadores
convertidores se encuentra en aplicaciones como:
- Variadores de velocidad - VSD
- Electrólisis del aluminio
Figura 1: Parte activa de un transformador para rectificación de 12 pulsos
Otras aplicaciones de estos
transformadores pueden ser: la electrólisis química, hornos de arco de
corriente continua, hornos de grafito, subestaciones de tracción, refinado del
cobre, etc.
Los transformadores VSD se
utilizan en aplicaciones en las que se requiere una velocidad variable en el
eje del motor. Los VSD se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, como:
accionamientos de trenes de laminación, sistemas de propulsión de barcos,
accionamientos de polipastos de minas, accionamientos de túneles de viento,
etc.
La figura 2 muestra un esquema básico de la configuración de un
sistema VSD para un túnel de viento. El transformador es una unidad de 12
pulsos que alimenta dos rectificadores de 6 pulsos, que están acoplados a
través de un enlace de c.c. que contiene dos reactancias de suavizado
conectadas a dos inversores, que a su vez están conectados a un motor síncrono.
El transformador también está equipado con un devanado terciario, que está
conectado a un filtro. La finalidad de este filtro es reducir la distorsión
armónica de la tensión en el sistema de alimentación de A.T., así como aumentar
el factor de potencia de la carga.
Figura 2
Una de las principales
aplicaciones de los transformadores para convertidor es la electrólisis del
aluminio. Estos transformadores convertidores se caracterizan por corrientes
secundarias elevadas, tensiones secundarias de hasta 1.500 V y un amplio rango
de regulación de la tensión. Debido a las válvulas del convertidor, las
corrientes en los devanados del transformador no serán sinusoidales, sino que
contendrán armónicos que deben tenerse en cuenta al diseñar el transformador.
Se han fabricado unidades integradas de transformador y convertidor para
corrientes continuas de hasta más de 100 kA.
Normalmente, se conectan en
paralelo cuatro, cinco o seis transformadores convertidores para alimentar una
línea de cubas electrolíticas de aluminio. En función del grado de perturbación
tolerado en la red y/o en la corriente continua de salida, los transformadores
pueden conectarse como sistema de (6), 12, 24, 36 o 48 pulsos. Las
perturbaciones en la red y en la corriente continua de salida disminuyen al
aumentar el número de pulsos. Un sistema de 12 pulsos está formado por dos
sistemas de 6 pulsos con un desfase de 30 grados entre los dos sistemas. Esto se
consigue conectando un sistema de 6 pulsos en triángulo y el otro en estrella.
Un diagrama de una unidad típica
para este propósito es un transformador de 12 pulsos con devanado de
desplazamiento de fase como se muestra en la Figura 3.
Figura 3
Una línea de cubas típica para electrolisis
del aluminio se construye como un sistema de 48 pulsos con cuatro
transformadores rectificadores conectados en paralelo. En este caso, el sistema
está formado por cuatro unidades 12-pulsos con devanados de desplazamiento de
fase diferentes. Un sistema de 48 pulsos puede conseguirse con los siguientes
ángulos de desfase, +11,25°, +3,75°, -3,75° y -11,25°.
Como ya se ha mencionado, una de
las características de los transformadores rectificadores para plantas de aluminio
es un rango de tensión de regulación muy amplio, desde cero voltios hasta
varios cientos de voltios. La magnitud de la tensión secundaria depende del
número de potencias que se conecten en serie.
Cuando se utilizan diodos, es
necesario fabricar un transformador de regulación independiente equipado con
cambiador de tomas bajo carga en serie con el transformador rectificador para
regular la tensión secundaria. El transformador de regulación suele estar
autoconectado. En combinación con rectificadores de diodos, normalmente se
utilizan transductores para regular la tensión entre los pasos del cambiador de
tomas bajo carga. El transformador de regulación que alimenta al transformador
rectificador puede construirse en el mismo tanque que el transformador rectificador
o puede fabricarse como una unidad independiente. Otra posibilidad para regular
la tensión secundaria es utilizar rectificadores de tiristores, que pueden
sustituir al transformador regulador y a los transductores. Cuando se utilizan
rectificadores de tiristores puede ser suficiente equipar el transformador
rectificador con un cambiador de tomas para operar sin tensión (OCTC).
En el pedido, la especificación
técnica del transformador convertidor necesita cierta información adicional en comparación
con las especificaciones de un transformador de potencia. Esta información debe
proporcionarla el diseñador del sistema o el comprador. Dicha información es la
forma de onda de la corriente del devanado de las válvulas, es decir, el
espectro de corriente armónica. El contenido armónico influye en las pérdidas
del transformador en general pero, lo que es más importante, en las pérdidas
localizadas del devanado y, por tanto, en las posibles temperaturas de los
puntos calientes" [lEC 6I378-3 transformadores convertidores -
Parte 3: Guía de aplicación, Sección 11.8.2].
Cuando se conoce esta
información, los devanados pueden diseñarse para evitar temperaturas
inaceptables. La distorsión de la tensión del sistema de potencia causada por
la corriente armónica es otro aspecto a tener en cuenta. Las perturbaciones
debidas al contenido armónico de las corrientes pueden reducirse aumentando el
número de pulsos, como se ha mencionado anteriormente.
También puede haber requisitos
especiales en cuanto a las tolerancias de la impedancia de cortocircuito del
transformador, ya que esta impedancia influye en la eficacia del proceso de
electrólisis.
miércoles, 7 de junio de 2023
Transformadores HVDC
HVDC significa corriente continua
de alta tensión. La primera línea de transmisión HVDC se estableció en Suecia
en 1954. Desde entonces se han instalado muchos sistemas de transmisión HVDC en
todo el mundo. La transmisión HVDC es a veces una alternativa económica y
técnicamente ventajosa a la transmisión en corriente alterna. Esto se aplica
especialmente cuando se transmiten grandes cantidades de energía a largas
distancias por línea aérea o bajo el mar mediante cable submarino. En la Figura
1 se muestra el diagrama básico de una
transmisión HVDC.
Figura 1
En comparación con las líneas de
transmisión de c.a., las líneas de c.c. pueden funcionar con corredores más
estrechos. De este modo pueden salvarse grandes extensiones de terreno de
cultivo o bosques. Además, los aspectos de estabilidad no limitan la capacidad
de transmisión de potencia de la línea.
Para una cantidad dada de
material conductor en la línea, las pérdidas en una línea de c.c. son menores
que las pérdidas en una línea de c.a.
Mediante HVDC pueden conectarse
sistemas de c.a. no síncronos. Los transformadores se encargan de que no haya
contactos galvánicos entre los equipos de c.c. y los sistemas de c.a. Esto
impide que la corriente continua entre en los sistemas de c.a.
Las corrientes que circulan por
los devanados de los transformadores convertidores contienen ciertos armónicos
cuyas magnitudes dependen de los parámetros de la estación convertidora. El
método para determinar las pérdidas de carga de los transformadores se basa en
dos mediciones de pérdidas de carga, ciertas hipótesis y un esquema de cálculo
específico. Véanse los apartados 7.4 y 10.3 de la norma lEC 61378-2.
El proveedor del transformador
calculará el valor de la pérdida de carga de servicio real basándose en un
espectro armónico dado para la corriente de carga. El comprador deberá
proporcionar este espectro. La figura 2 muestra
un ejemplo de espectro de corriente armónica de una conexión de 6 pulsos.
Ejemplo de espectro
de corriente armónica en p.u. de la corriente de frecuencia fundamental en una
conexión de 6 pulsos
Figura 2
La Figura 2 muestra que los armónicos 5º y 7º son los mayores.
Los armónicos superiores disminuyen al aumentar el número de armónicos.
Una conexión de 6 pulsos
significa que hay 6 pulsos en la tensión continua por periodo de la tensión
alterna fundamental, como se muestra en la Figura 3.
Figura 3
La Figura 3 muestra cómo varía la tensión continua durante un
periodo de la tensión del sistema de c.a. La tensión continua consta de 6
pulsos durante un periodo. No es una línea recta ideal, los pulsos aparecen
como una ondulación en la tensión continua.
La ondulación puede reducirse
combinando dos puentes de válvulas de 6 pulsos en una conexión de 12 pulsos,
tal como se muestra en la Figura 4. De este modo, los armónicos 5º y 7º se
reducen. Por lo tanto, los armónicos 5º y 7º desaparecen de la corriente
suministrada desde la red alterna. Sin embargo, los armónicos 5º y 7º siguen
circulando entre los dos transformadores del grupo de 12 pulsos y pueden
contribuir considerablemente a las pérdidas de carga totales en los
transformadores. El 5º armónico puede suponer casi el 20% de la corriente de la
frecuencia fundamental.
En la estación en la que la corriente continua se convierte
en corriente alterna, la corriente puede, en principio, convertirse a cualquier
frecuencia. La frecuencia puede venir dada por el propio sistema de c.a. o por
una máquina síncrona independiente. Por lo tanto, un enlace HVDC es adecuado
para conectar sistemas de c.a. con diferentes frecuencias, por ejemplo 50 y 60
Hz.
Figura 4
Las tensiones en los lados de las
válvulas de los dos transformadores de la Figura 4 se
desplazan 30 grados eléctricos entre sí conectando uno de los devanados en
estrella y el otro en triángulo. Obsérvese que las tensiones entre fases de los
dos transformadores son las mismas en el lado de las válvulas y en el lado de
la red de corriente alterna.
Figura 5
La Figura 5 ilustra el rizado reducido en la tensión continua de
una conexión de 12 pulsos en comparación con la conexión de 6 pulsos de la
Figura 3.
La relación entre la tensión
continua ideal a través de los dos puentes de la figura 4 y la tensión entre
fases en el lado de las válvulas de los transformadores puede escribirse en
vacío como sigue:
En esta ecuación
·
UD es la tensión continua a través de
los dos puentes de válvulas conectados en serie de la figura 4
·
Uac es la tensión fase-fase en el
lado de las válvulas del transformador
·
α es el ángulo de retardo de las
válvulas (ángulo de control)
Para α = 0 la tensión UD
se convierte en 2,7 Uac. En condiciones de carga, la caída de tensión en el transformador
y las válvulas reduce el factor de conversión de 2,7 al intervalo de 2,4 - 2,5
normalmente.
Las pérdidas en un puente
convertidor se sitúan en torno a la mitad porcentual de la potencia de paso,
mientras que la caída inductiva es del 5 - 10%.
El devanado del lado de las
válvulas del puente inferior (el puente más cercano a tierra) de la Figura 2-20 está expuesto a un potencial de c.c. de
aproximadamente una cuarta parte del potencial de la línea de c.c. y el
devanado del lado de las válvulas del puente superior a tres cuartas partes del
mismo potencial.
La distribución de tensión entre
el aislamiento sólido y fluido del transformador es capacitiva cuando se expone
a c.a. Esto significa que la distribución de la tensión y las tensiones
dieléctricas vienen determinadas por la permitividad de los materiales.
Por el contrario, cuando se
exponen a un potencial de corriente continua, la distribución de la tensión y
las tensiones dieléctricas vienen determinadas por la resistividad de los
materiales. Los materiales aislantes son básicamente los mismos: aceite mineral
y productos de celulosa. Como la resistividad de los materiales aislantes
sólidos es considerablemente mayor que la resistividad del aceite del transformador,
casi toda la tensión continua pasa a través del aislamiento sólido. Por
consiguiente, los transformadores HVDC contienen una proporción mucho mayor de
aislamiento sólido que los transformadores de corriente alterna, unas tres
veces más.
Muchos sistemas de transmisión
con tensiones de c.c. de hasta ±600 kV están en funcionamiento. Para demostrar
la capacidad de soportar la tensión de c.c., los devanados de válvula de los
transformadores HVDC se someten a las siguientes pruebas:
- ensayo de resistencia a la
tensión de la fuente separada de cc. Véanse los apartados 8.2.3 y 10.4.3 de la
norma IEC 61378-2;
- ensayo de inversión de
polaridad. Véanse los apartados 8.2.4 y 10.4.4 de la norma IEC 61378-2.
Para controlar la tensión de
servicio, los transformadores HVDC están equipados con un rango de tomas
bastante amplio en el lado de la línea. Además, es necesario controlar
estrictamente la impedancia de cortocircuito de los transformadores. La
desviación de la impedancia entre fases individuales debe ser pequeña.
La norma IEC 61378-2 especifica
que la variación de la impedancia en la toma principal y la variación de la
impedancia en el intervalo de tomas para transformadores de diseño duplicado o
similar para una aplicación idéntica en servicio o capacidad de intercambio no
debe superar ±3% de los valores medios de ensayo.
La razón de este requisito es, en
gran medida, la necesidad de una cancelación eficaz de los armónicos en una
conexión en puente de 12 pulsos. Las grandes variaciones entre fases, unidades
y devanados conectados en estrella y triángulo aumentarán el tamaño de los
filtros.
Como alternativa a los
transformadores mostrados en la Figura 4 con dos
transformadores trifásicos, uno con bobinado conectado en triángulo y otro en
estrella en el lado de las válvulas, podrían utilizarse tres transformadores
monofásicos. En ese caso, cada transformador tiene dos devanados en el lado de
las válvulas, uno para conexión en (d) y otro para conexión en (y)
en un banco con los otros dos transformadores monofásicos.
Si se desea un transformador de
repuesto, la solución de transformador monofásico tiene la ventaja de que un
solo transformador monofásico puede cubrir la necesidad. La elección de la
solución, transformadores trifásicos o monofásicos, también puede depender de
las restricciones de dimensiones y peso de la unidad.
Un convertidor moderno de alta tensión y gran capacidad es un producto sofisticado que requiere experiencia y gran habilidad en el diseño y un control de calidad específico en la producción.
Figura 6: Válvulas de convertidor
sábado, 3 de junio de 2023
Transformadores elevadores para generador (Step-Up)
La figura muestra un
ejemplo de un gran transformador elevador de generador trifásico. La potencia
nominal es de 1100 MVA y la relación de tensión 345/19 kV. En este caso, el
transformador se fabrica con núcleo acorazado.
El transformador de generador es
un elemento esencial para toda planta de generación nuclear, térmica o
hidráulica. Los transformadores de generador son transformadores elevadores con
sus devanados en la parte de más baja tensión (BT) conectados en triángulo y
energizados a la tensión del generador, mientras que los devanados de la parte de
mayor tensión (AT), van conectados en estrella y alimentan las líneas de
transmisión que pueden llegar a superar los 800 kV. Es decir, son
transformadores con grupo de conexión ir conectados en Ynd. Hay varias razones
para conectar el devanado de BT en triángulo en lugar de en estrella:
• el devanado conectado en
triángulo mantiene la impedancia de secuencia cero del transformador
razonablemente baja;
• para grandes transformadores,
la corriente de línea en el lado de BT es muy elevada. En un devanado conectado
en triángulo, la corriente a través del devanado es igual a la corriente de
línea dividida por √3, lo que facilita el trabajo del devanado en la fábrica
con un paquete de conductores de devanado correspondientemente más pequeño.
En la mayoría de los casos, el
neutro de alta tensión está sólidamente conectado a tierra y el aislamiento en
el devanado de AT es gradual, es decir, el nivel de aislamiento en el neutro es
menor que en el extremo de fase del devanado. La plena utilización de la
capacidad del generador para suministrar potencia activa al sistema y, además,
su capacidad para suministrar potencia reactiva al sistema y absorber potencia
reactiva del sistema, requiere que se seleccionen cuatro características del
transformador sobre la base de un exhaustivo estudio.
Estas cuatro características son:
• La impedancia de cortocircuito
del transformador;
• La clasificación de voltaje
secundario (más alta tensión);
• La clasificación de MVA del
transformador;
• La clasificación de voltaje
primario (más baja tensión).
La guía IEEE C57.116 1989, para
transformadores conectados directamente a generadores describe un método de
análisis para la selección de estas características. Para garantizar que el
transformador no restrinja el intercambio de potencia reactiva entre el
generador y el sistema de potencia, puede ser necesario proporcionar tomas en
el devanado de alta tensión del transformador. Estas tomas normalmente se
colocan en el extremo neutro del devanado.
Este tipo de transformadores se
enfrentan constantemente a cambios de tensión, bien sea debido a desconexiones
de carga o a operaciones de maniobra, seguidos de una sobreexcitación del
generador. También deben conservar la capacidad de resistir las sobrecargas, lo
que significa que los gradientes de los devanados se han de ajustar con
precisión y mantener una suficiente capacidad de enfriamiento. Las altas
corrientes nominales requieren un absoluto control del campo magnético dentro
de la cuba para evitar el sobrecalentamiento localizado en las partes metálicas
relacionadas.
Parte activa de un transformador para generador de gran potencia
En las centrales hidroeléctricas
subterráneas, el disyuntor del lado de alta tensión suele estar situado a una
distancia de varios cientos de metros del transformador. El transformador y el
disyuntor están conectados entre sí por medio de un cable. Cuando se energiza
el transformador desde el lado de alta tensión, surgen oscilaciones de alta
frecuencia en los terminales debido a las ondas viajeras que se reflejan de un
lado a otro en el cable. Cada devanado del transformador tiene una serie de
frecuencias de resonancia, que se pueden identificar mediante mediciones en
fábrica. En algunas de estas frecuencias pueden surgir sobretensiones internas
elevadas si la frecuencia de las oscilaciones que se producen durante la
energización coinciden con una de las frecuencias críticas de resonancia del
devanado del transformador. Esta situación potencialmente peligrosa puede
evitarse energizando el transformador desde el lado del generador y luego
sincronizando el generador con el sistema por medio del disyuntor en el lado de
AT.
Puede haber una conexión fija
entre el transformador y el generador, o puede haber un disyuntor intermedio.
Cuando existe una conexión
eléctrica fija, el generador y el transformador son inseparables y actúan como
una sola unidad. En caso de fallo en cualquiera de los lados del transformador,
los relés pueden activar rápidamente el disyuntor en el lado de AT del
transformador para desconectar la unidad del sistema. Este rechazo de carga
repentino puede causar un voltaje más alto en las terminales del generador y,
en consecuencia, una sobreexcitación del transformador. La magnitud y duración
de esta sobreexcitación depende de las características del generador y su
sistema de excitación. El comprador debe informar al proveedor del transformador
sobre la magnitud máxima y la duración de esta sobretensión temporal lo antes
posible en el proceso del proyecto y, en cualquier caso, a su debido tiempo
antes de que se determine finalmente el diseño del transformador.
La protección contra sobretensión
del devanado de BT de los transformadores elevadores del generador necesita una
consideración especial debido a la gran diferencia de tensión y, en
consecuencia, el nivel de aislamiento en los dos lados y la magnitud de las
sobretensiones transitorias y temporales transferidas desde el lado de AT al
lado de BT.
Se recomienda instalar pararrayos
entre cada terminal de baja tensión y tierra y también entre terminales de
distintas fases y, además, condensadores entre terminales de fase y tierra. La
capacitancia típica que se ha utilizado es de 0,25 μF.
Las sobretensiones transferidas
pueden ser especialmente críticas cuando el devanado de BT está desconectado
del generador.
En varios casos, los conductos de
barras encierran cada conductor de fase entre el transformador y el generador
para minimizar el riesgo de cortocircuitos entre los conductores de fase. Para
los transformadores elevadores de generadores grandes, la corriente en estos
conductores es muy alta con fuertes campos magnéticos que los acompañan, lo que
puede causar corrientes de circulación imprevistas en los tanques y cubiertas
del transformador, asi como en los conductos de barras. Las pérdidas causadas
por estas corrientes imprevistas dan como resultado sobrecalentamientos si no
se incluyen medidas correctivas en el diseño. El sobrecalentamiento de los
componentes del transformador depende del método de terminación de los
conductos de barras en el extremo del transformador. Para mitigar el problema del
calentamiento, se sugiere que se organicen reuniones de coordinación de diseño
entre el proveedor de los conductos de barras, el fabricante del transformador
y el comprador antes del diseño de dichos conductos.
Los transformadores de generador exigen conocimientos,
equipos de producción y capacidades de ensayo muy específicos, ya que suelen
requerirse tensiones y potencias nominales muy altas.
FUENTES:
ABB: Transformer Handbook
Alstom: Transformadores de
potencia y reactancias
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