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.