Transformador SIEMENS para electrolisis o fundición
Transformadores
para equipos de conversión
Los hornos de inducción o de arco, los motores de
velocidad variable, la electrólisis son aplicaciones industriales cada vez más
importantes que utilizan equipos de
rectificación, llamados también equipos de conversión.
Debido a su propia concepción a base de diodos y
tiristores, estos equipos provocan corrientes no sinusoidales generadoras de
corrientes armónicas que perturban el normal funcionamiento de un
transformador.
Una de las consecuencias directas es el aumento de
las pérdidas debidas a la carga en las bobinas y conexiones, y por tanto un
excesivo calentamiento.
La norma IEC 61378 -1 describe las especificaciones
de los transformadores de conversión, y particularmente: Las reglas de
cálculo de las pérdidas debidas a la
carga en función de la distorsión de la corriente de carga.
Ensayos a realizar.
La utilización de transformadores de distribución
“standard” es posible para ciertas aplicaciones de conversión donde se tiene en
cuenta una desclasificación “disminución” en la potencia (por ejemplo,
utilización de un 630 kVA para una potencia útil de 400 kVA).
La norma IEC 61378 -1 no trata específicamente el
tema; no obstante, permite estimar esta desclasificación a partir de unas
determinadas fórmulas.
Aumento
de las pérdidas debidas a la carga
- Pérdidas por efecto Joule (PJ) o RI2 ≈ 85%
- Pérdidas por corrientes de Foucault (PCF) o pérdidas parásitas en arrollamientos y conexiones ≈10%
- Pérdidas suplementarias (PS) o pérdidas parásitas en las partes estructurales del acero ≈ 5%
En cambio, en el caso de un transformador de
conversión, los armónicos de corriente entrañan un aumento de estos diferentes
tipos de pérdidas.
La norma IEC 61378 -1 permite calcular precisamente
estas pérdidas adicionales cuando las características del rectificador y el
espectro de los armónicos (rango y tasa) son conocidos.
En primera aproximación, cuando estos parámetros se
desconocen, se pueden admitir los coeficientes de incremento medio siguientes:
PJ x 1,03; PCF
x 5; PS x 1,30
Esta estimación conduce a un aumento medio de las
pérdidas debidas a la carga del orden del 45% con relación a un transformador standard:
Transformador standard (1)
Pcc (1) = PJ (1)+ PCF (1)+ PS (1)
Pcc (1)= 0,85 Pcc (1)+ 0,1 Pcc (1)+ 0,05 Pcc (1)
Transformador para convertidor (2)
Pcc (2)= 1,03 PJ (1)+ 5 PCF (1)+ 1,3 PS (1)
Pcc (2)= 1,03 x (0,85 Pcc (1)) + 5(0,1 Pcc (1)) + 1,3(0,05 Pcc(1))
Pcc (2) = 0,88 Pcc (1) + 0,5 Pcc (1) + 0,07 Pcc
Pcc (2) = 1,45 Pcc
Consecuencias sobre el
dimensionamiento del transformador
En primera aproximación, este aumento medio de las
pérdidas permite determinar la potencia del transformador de conversión
aplicando el coeficiente de desclasificación k = √1,45 = 1,20.
Ejemplos:
■ Para un transformador nuevo:
Potencia
útil en conversión 1000 kVA
Potencia
equivalente = 1000 x 1,20 = 1.200 kVA (potencia normalizada superior = 1.250
kVA)
■ Para
un transformador existente de 1000 kVA
Hornos de inducción y motores de velocidad variable
Para estas aplicaciones, se consideran dos
soluciones:
Solución 1
Solución 2
Potencia útil en conversión = 1000 x 1/1,20 = 800 kVA.
Transformador
+ rectificador ¿Qué acoplamiento elegir?
La elección del
acoplamiento transformador + rectificador depende del tipo de aplicación
y de las necesidades de la red.
Las soluciones siguientes corresponden a los casos que en la práctica
se dan con más frecuencia:
Hornos de inducción y motores de velocidad variable
Para estas aplicaciones, se consideran dos
soluciones:
Solución 1
Es interesante cuando aún siendo importante la tasa
de armónicos en la red exterior no es perceptible y cuando un mediocre factor
de forma lado rectificador es aceptable, en tal caso, la solución es económica
(figura 1).
Figura
1: Transformador con simple secundario + puente rectificador de 6 pulsos
Solución 2
Limita la tasa de armónicos
inyectada a la red y da un buen factor de forma en lado rectificador.
En este caso, el transformador
con doble secundario (uno en estrella y otro en triángulo) sea:
■ Acoplados. Con secundarios
biconcentricos imbricados (figuras 2 y 3)
■ Desacoplados. Con
secundarios superpuestos, biconcentricos o dos partes activas separadas.
Esta solución técnicamente óptima
es económicamente menos interesante.
Figura
2: Transformador con dos secundarios desfasados 30º alimentando
dos puentes
rectificadores hexafásicos (12 pulsos) conectados en serie
Figura
3: Transformador con dos secundarios desfasados 30º alimentando
dos puentes
rectificadores hexafásicos (12 pulsos) conectados en paralelo,
con reactancia
limitadora de corrientes circulantes
Soluciones para limitar las corrientes armónicas
Separar los circuitos de
alumbrado mediante un transformador BT/BT con conexión en el secundario en
triángulo, para así cortocircuitar los armónicos 3 equilibrados.
Instalar convertidores
estáticos con índices de pulsación elevados que inyecten corrientes armónicas
de amplitudes más débiles. En este caso se utilizarán preferentemente puentes
dodecafásicos antes que puentes hexafásicos.
O recomendar
la instalación de varios convertidores, en los que los transformadores de
alimentación estén formados por un secundario con conexiones que permitan
eliminar los armónicos de rango débil. Por ejemplo, la utilización de dos
puentes hexafásicos, alimentados separadamente por dos transformadores con
conexiones diferentes (por ejemplo estrella-estrella, triangulo-estrella),
reduce las corrientes armónicas de rango 5 y 7. Se estima una reducción de la
amplitud de estos armónicos del 85% al 90%. Por consiguiente, la primera
componente inyectada en la red tendrá una frecuencia de 550 Hz (rango 11) y una
amplitud significativamente más débil (figura 4).
Figura
4:
Ejemplos de transformadores utilizados para generar menos
corrientes armónicas
El ejemplo anterior puede
igualmente estar alimentado por un transformador de doble secundario ambos
separados galvánicamente y con conexiones estrella triángulo respectivamente.
Con
objeto de mejorar la forma de onda de la corriente consumida por el convertidor
aumentaremos el número de impulsos del mismo, se aconseja en lugar de utilizar
un solo puente de 6 tiristores, utilizar dos puentes de mitad de tensión,
conectados en serie o en paralelo con inductancia reductora de corriente
circulante entre ambos puentes.
Figura 5: Puente de 12 pulsos conectados
en serie alimentados
con transformador de 2 secundarios decalados
30º
Figura
6: Puente de 12 pulsos conectados en paralelo con
reactancias limitadoras
de corrientes circulantes alimentados con
transformador
de 2 secundarios decalados 30º
Las componentes de corriente
de la 5ª y 7ª armónicas en los dos
secundarios del transformador pasadas al primario quedan desfasadas 180º, por
lo que se anulan si son iguales en modulo, lo que se asegura en esta disposición
por estar los dos puentes en serie (figura 5). El mismo efecto se intenta
conseguir con la disposición de los puentes en paralelo mediante reparto de
cargas entre los dos puentes (figura 6), alisando mediante una inductancia la
corriente continua, con el fin de atenuar las amplitudes armónicas alternas.
Por la misma razón quedarán
totalmente eliminados los armónicos 17 y 19, 29 y 31, etc,… y todos los que son
múltiplos impares de 6 (+ - 1).
Los múltiplos pares de 6 (+ -
1) quedan en fase en el primario del transformador, no sufriendo, por tanto,
modificación respecto a los generados en el puente de 6 tiristores. Estos son
el 11 y el 13, el 23 y el 25,…etc. (figura 5).
Análogamente
pueden disponerse convertidores de 24 pulsos a base de convertidores de 12
pulsos, alimentados por sendos transformadores cuyos primarios estén desfasados
15º obtenidos por medio de una conexión en doble Z en los secundarios de un
transformador principal (figura 7).
Figura
7
De esta forma no se generan
los armónicos 5, 7, 11, 13, 17 ni 19 siendo los más débiles los de f23 = 1150
Hz y f25 = 1250 Hz.
Para saber más ver posts:
Transformadores de doble secundario: Solución a las cargas no
lineales de los grandes grupos rectificadores
Ventajas e inconvenientes de las soluciones adoptadas para
reducir armónicos en variadores de velocidad
Hoja de cálculo del factor “1/K” de desclasificación por
armónicos en Transformadores
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