Desarrollos tecnológicos Materiales

Hernan Escarria, PTI, Customer Day - Santiago - June 2014
Desarrollos tecnológicos
Materiales
Materiales
Introducción
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Introducción a los Transformadores
DESARROLLO CRONOLOGICO DE LA TECNOLOGIA DEL NUCLEO
•
1882 Primer circuito magnético cerrado (transformador) Gaulard - Gibbs.
Introducción a los Transformadores
DESARROLLO CRONOLOGICO DE LA TECNOLOGIA DEL NUCLEO
•
1885 Transformador con circuito magnético en H, I y luego en E.
Stanley y Westinghouse
Introducción a los Transformadores
DESARROLLO CRONOLOGICO DE LA TECNOLOGIA DEL NUCLEO
•
1896 Adición de silicio al hierro para reducir la velocidad de envejecimiento
del núcleo : Kelly
•
1905 Desarrollo del hierro silicio para uso comercial: Hadfield
•
1924 Desarrollo del Hipernick: Aleación níquel-hierro de alta permeabilidad
•1930
Desarrollo del proceso cold rolled: Steckel.
•Permitió
producir acero al silicio en rollos sin perjudicar sus
propiedades.
•
1941 Desarrollo del Hipersil: Aleación de hierro al silicio de grano orientado
entre ARMCO (American Rolling Mill Corporation) y Westinghouse
Introducción a los Transformadores
DESARROLLO CRONOLOGICO DE LA TECNOLOGIA DEL NUCLEO
•
1942 Núcleo tipo C para transformadores pequeños de distribución: C.C.
Hortsman
•1942
Núcleo tipo D para transformadores mayores de distribución H.V. Putnam
Introducción a los Transformadores
DESARROLLO CRONOLOGICO DE LA TECNOLOGIA DEL NUCLEO
•
1949 Desarrollo del aislamiento Carlite (Inorgánico) Para resistir las
temperaturas de recocido
•
1957 Desarrollo del hierro al silicio con texturizado cúbico (100) (001)
•
1961 Núcleo Wescor: B.B Ellis
Introducción a los Transformadores
DESARROLLO CRONOLOGICO DE LA TECNOLOGIA DEL NUCLEO
•
1964 Núcleo traslapado a pasos (Step-Lap): Burkhardt y B.B. Ellis
Introducción a los Transformadores
DESARROLLO CRONOLOGICO DE LA TECNOLOGIA DEL NUCLEO
•
1968 Material Orient Core Hi-B: Nippon Steel Corporation.
Organización superior de cristales
•
1970 Introducción del Tran-Cor H: Material de alta permeabilidad:
Armco Steel Corporation.
1976 Acero Amorfo.
H. Liebermann y C. Graham - MetGlass
•
1978 Inscripción con plasma
•
1984 Inscripción con laser
•
•
2014 Se continúan utilizando las laminas desarrolladas desde 1957
Materiales
Aluminio
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Introducción
MATERIALES
METALES PUROS MAS CONDUCTIVOS
+ RESISTIVIDAD
+ CONDUCTIVIDAD
UNA CONDUCTIVIDAD DEL 100%(100 IACS) A 20ºC EQUIVALE A
0.15328 OHMS gr/m2
0.017241 OHMS mm2 /m
1.72410 MICROOHM - cm
0.67870 MICROOHM - PULGADA
IACS (International Annealed Copper Standard)
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Introducción
El debate sobre los pros y
los contras de aluminio vs
cobre se ha discutido
durante muchos años.
Muchas
de
las
preocupaciones se basan
en la información antigua y
también
en
la
falta
información.
Estas
inquietudes se centran en
las
propiedades
muy
diferentes de los dos
materiales y su idoneidad
para su aplicación en la
industria
de
equipos
eléctricos.
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Tecnología en fabricación de bobinas
Comparación aluminio x cobre
Característica
Aluminio
Cobre
Conductividad
eléctrica
36.6 x 106
59.6 x 106
W -1m-1
Tema
Es usual pensar que
debido a la conductividad
menor del aluminio, esta
causará pérdidas más altas
en el trasformador.
Para garantizar la característica térmica del material se
utiliza conductores con un área aproximadamente 63%
mayor que la de los conductores en cobre.
Con el aumento en la sección transversal, las pérdidas
resistivas serán las mismas que para una bobina en cobre.
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Tecnología en fabricación de bobinas
Propiedades
Los factores que los diseñadores deben sopesar
al decidir entre el uso de estos dos materiales se
dividen en cuatro categorías principales:
Propiedades mecánicas
Las propiedades eléctricas
Consideraciones sobre la fiabilidad
Consideraciones económicas
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Tecnología en fabricación de bobinas
Propiedades Mecánicas
Las propiedades mecánicas que se deben
considerar son resistencia a la tensión y el
alargamiento. El Al tiene una resistencia a la
tensión inferior que el Cu para la misma sección
transversal del material - 18ksi de 1350-H16
aluminio vs 38ksi de cobre recocido. Como se
discutirá más adelante, una mayor sección
transversal de Al (64% para el Al 1350) es
necesario para llevar la misma cantidad de
corriente para la equivalente capacidad de
corriente del conductor de Cu, por lo que la
resistencia de la sección transversal más grande
de Al se aproxima a la resistencia a la tensión del
Cu para una capacidad de corriente indicada.
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Tecnología en fabricación de bobinas
Propiedades Mecánicas
La realidad es que para aplicaciones eléctricas,
las más importantes áreas mecánicas de interés
para los conductores eléctricos son:
Capacidad para soportar las fuerzas impuestas
en condiciones de corto circuito
Los efectos de la expansión y contracción
térmica
El entorno de utilización, consideraciones
ambientales
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Tecnología en fabricación de bobinas
Propiedades Mecánicas
Las normas NEMA; IEEE, UL, IEC, etc.,
identifican criterios de desempeño de soporte a
la prueba de corto circuito y dictan para el peor
de los casos que variaciones de producto son
verificados.
Sobre esta base, los usuarios tienen la
seguridad de que tanto los diseños con Cu o Al
cumplen los mismos criterios de resistencia al
corto.
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Tecnología en fabricación de bobinas
Propiedades Mecánicas
Calor específico
Calor específico Aluminio(cAl):0.220 cal/gºC
Calor Específico Cobre(cCu): 0.092 cal/gºC
El aluminio tiene 2.3 veces
mayor capacidad de calor
específico comparado con el
cobre.
Capacidad calórica = M x c
Heat _ capacity _ Al
Heat _ capacity _ Cu
m Al
mCu
c Al
cCu
0.220
) 1.167
0.488 (
0.092
Para masas iguales la capacidad de disipación del devanado aluminio
es un 16% superior con relación al devanado de cobre.
Al aumentar su capacidad de disipación el sistema de refrigeración será
más eficiente y de más bajo costo.
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Tecnología en fabricación de bobinas
Propiedades Mecánicas
Característica
Aluminio
Conductividad
térmica
237 W/(m.K)
Cobre
Tema
401 W/(m.K) El cobre conduce mejor el
calor, reduciendo el punto
más caliente del devanado.
Para que la conductividad sea equivalente es necesario
usar solo la mitad en peso del aluminio comparado con el
cobre (transformador más ligero en su parte activa).
A fin de igualar la eficiencia térmica, nuestra tecnología
permite diseñar la parte activa de manera que se pueda
garantizar la misma conductividad que los devanados en
cobre (mejora en el área superficial, geometría del
devanado, ductos de refrigeración).
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Tecnología en fabricación de bobinas
Propiedades Mecánicas
El coeficiente de expansión térmica de Al puro es
23,6 x 10-6 / ° C frente de Cu de 16,5 x 10-6 / ° C.
Esto lleva a los usuarios a creer que el Al se
expande y contrae más durante el ciclo térmico que
el Cu en conexiones eléctricas - lo cual es correcto,
sin embargo, los fabricantes de equipos tienen
métodos para hacer frente a este problema. Una
técnica común es la utilización de arandelas cónicas
de resorte en las uniones atornilladas para prever las
presiones de contacto adecuadas y dar cabida a la
diferencia por expansión térmica.
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Tecnología en fabricación de bobinas
Propiedades Mecánicas
Tanto el cobre como el aluminio están sometidos a la
oxidación cuando se exponen a la atmósfera. Cuando
se utilizan para devanados en transformadores y
motores, los conductores están soldados, o apilados
para penetrar a través de la oxidación de la superficie
del conductor. La preocupación con el Al por mantener
la oxidación de la superficie lejos de las áreas de
unión no es un problema, ya que cuando está en
contacto con el aire, un recubrimiento de óxido de
aluminio duro transparente se forma rápidamente, que
protege el conductor de la corrosión adicional en la
mayoría de los entornos.
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Tecnología en fabricación de bobinas
Propiedades
Característica
Aluminio
Cobre
Densidad Volumétrica
2.7
8.9
Conductividad eléctrica
61%
100%
Area requerida para misma
capacidad de corriente
164%
100%
Masa requerida para misma
capacidad de corriente
4.43
8.90
Aunque la conductividad del Cu es mayor que la del
Al sobre la base de la igualdad de volumen, el
aluminio es el doble de bueno como conductor que
el cobre sobre la base de igual peso. Cuando el peso
es la consideración de diseño, el Al es una excelente
opción. Cuando el espacio es una limitación crítica,
el Cu puede ser requerido.
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Tecnología en fabricación de bobinas
Propiedades
Característica
Aluminio
Cobre
Densidad kg/dm3
2.7
8.9
*mm²/m @ 20ºC
0.028
0.017
Conductividad Eléctrica @ 20ºC
61%
100%
Calor Especifico Cal/g/ºC
0.220
0.092
Punto de Fusión
660
1083
Conductividad térmica W/(m.K)
237
401
Resistividad
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Tecnología en fabricación de bobinas
Consideraciones sobre fiabilidad
Alambres sólidos de Al # 12 y # 10 AWG se
utilizaron para ramales de circuito eléctrico en
cientos de miles de hogares a finales de 1960 y
principios de 1970 en los Estados Unidos, la
Consumer Product Safety Commission (CPSC)
reaccionó a informes de sobrecalentamiento de
conexiones mediante la realización de una
investigación. La investigación concluyó que el
Al en conexiones de ramales de circuito son
peligrosos. Esto tiene mucho que ver con la
percepción errónea de que conductores de Al en
general no son tan fiables como los de Cu.
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Tecnología en fabricación de bobinas
Consideraciones económicas
Estamos experimentando uno de los periodos más volatiles en la
historia de los transformadores. El precio del cobre continua volatil e
incrementando. Las predicciones indican un aumento en la
demanda y costo de este, sin señales de disminución. De hecho, se
espera que su demanda sea aun mayor que la capacidad de
suministro para los próximos 3 a 4 años.
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Tecnología en fabricación de bobinas
Consideraciones económicas
Precio Aluminio
Precio varia entre 3300 y 1250
USD/TON tendencia a la baja .
Precio Cobre
Muy alta volatilidad, precio desde
2700 hasta 10200 USD/TON
Una de las consideraciones en la selección del conductor
es su precio y disponibilidad actual en el mercado.
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Tecnología en fabricación de bobinas
Comparación aluminio x cobre
Característica
Aluminio
Cobre
Area requerida para misma
capacidad de corriente
164%
100%
Masa requerida para misma
capacidad de corriente
4.43
8.90
La altura es un 10% mayor.
El volumen es un 15% mayor.
El peso total entonces del transformador es:
Sin aceite
Con aceite
menor peso
similar
Cuando el peso es importante para el diseño, el aluminio
es una excelente elección. Donde el espacio es una
limitación fundamental, el cobre es requerido.
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Tecnología en fabricación de bobinas
Efectos de la corriente alterna
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Tecnología en fabricación de bobinas
Efectos de la corriente alterna
Distribución de la
corriente a lo largo de
la altura del conductor
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Tecnología en fabricación de bobinas
Costo Operacional
Si no se tiene restricción de dimensiones se puede lograr
un diseño con conductores en aluminio para un
desempeño (pérdidas) igual al del cobre.
La principal ventaja del aluminio sobre el cobre es su bajo
costo. A pesar de su baja conductividad se puede obtener
un conductor con área de sección transversal mayor para
lograr la capacidad de corriente necesaria, lo que brinda
varios beneficios entre ellos:
Mantiene la elevación del punto más caliente en un valor
aceptable.
Mejora la capacidad
refrigeración).
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de
disipación
(facilidad
de
Tecnología en fabricación de bobinas
Comparación aluminio x cobre
Proyecto ABB
Con el fin de evitar
problemas
de
interconexión, ABB utiliza
apropiados conectores para
sus conexiones internas.
Usando cables, arandelas y
soldaduras especiales para
las conexiones correctas,
se
proporciona
la
elasticidad necesaria en las
uniones sin necesidad de
una compresión excesiva
del aluminio, presentando
la misma eficiencia que los
terminales de cobre.
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Tecnología en fabricación de bobinas
Vida del transformador
La vida útil de un transformador, esta
dada por su sistema de aislamiento
En transformadores, los limites de
temperatura
se
especifican,
principalmente
para
limitar
el
envejecimiento del papel en contacto
con el conductor
La mayor resistividad del Al ofrece
inherentemente menores perdidas
adicionales en los devanados. Esto
reduce el riesgo de puntos calientes.
Los
transformadores
están
diseñados para cumplir con los
limites
de
temperatura,
indiferentemente del material del
conductor
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Aislamiento Solido
Tanto para Cu o Al se utilizan
los mismos aislamientos, papel
termoestabilizado
en
los
conductores
y
presspan,
pressboard y madera en los
demás aislamientos.
Aislamiento Líquido
Fue descubierto que el aceite
aislante es más estable con la
presencia de aluminio que el
cobre, debido a su agente
catalítico (menor riesgo de
explosión).
Tecnología en fabricación de bobinas
En caso de reparaciones?
Un transformador con bobinas de
aluminio puede ser reparado con
conductores de cobre debido a
que el espacio ocupado por las
bobinas de aluminio es mayor,
con lo cual permite alojar las
nuevas bobinas de cobre.
Respetando la inducción del
núcleo se consiguen pérdidas
similares para ambos materiales
por lo cual el sistema de
refrigeración del transformador
consigue
disiparlas
sin
problemas al usar una bobina de
cobre en reemplazo de la de
aluminio.
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Tecnología en fabricación de bobinas
ABB Experiencia
ABB tiene más de 40 años de experiencia usando
Aluminio para transformadores hasta 20 MVA y 66 kV.
La tecnología está bien establecida y no hay ningún
argumento técnico en contra del aluminio.
Este gran número de unidades nunca habría sido obtenido
si los transformadores con bobinas de aluminio fueran
productos de segunda clase con una confiabilidad del
servicio cuestionable.
Como fabricante de transformadores, ABB no tiene
indicios de una mayor tasa de fallas en los
transformadores con bobinas de aluminio.
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Tecnología en fabricación de bobinas
ABB Experiencia
Se han producido más de 25,000 transformadores con
devanados en aluminio para diversas aplicaciones
industriales, principalmente en América del Norte y
Europa.
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Potencia
9.375
10
15
30
30
33.3
Voltaje AT (kV)
69
66
66
66
132
69
Voltaje BT (kV)
11.4
11
20 x 13.2
12
20
34.5
Impedancia (%)
8
8
10
10
13
10
BIL
350
325
325
325
550
350
Conclusiones
Aplicaciones de devanados en aluminio
La eficiencia de los transformadores debe ser idéntica independiente
de si los conductores son de cobre o de aluminio.
El aluminio es un material conductor adecuado utilizado en muchos
productos eléctricos. Es reconocido por el Código Eléctrico Nacional de
USA (NEC).
El aluminio proporciona aproximadamente el doble de la capacidad de
transporte de corriente por kg en comparación con el cobre.
Las reservas naturales conocidas de aluminio son mayores que las
reservas de cobre.
En conclusión, es más ventajoso para el cliente dejar abierta la
elección del material de fabricación al fabricante, el cual siempre va a
tratar de optimizar los diseños no solo de acuerdo a las características
del cliente, sino también teniendo en cuenta los materiales disponibles
en el mercado.
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Conductor de Aluminio
Consideraciones Ambientales
Para evaluar el impacto ambiental del Cu y el Al se usa un
indicador que es el European Union “Eco-Indicator”
Masa: Cu y Al son 1400 mpt/kg y 780 mpt/kg
respectivamente.
Volumen: Cu y Al son 12.5 mpt/cm3 para Cu y 2.1
mpt/cm3 para Al.
De acuerdo a los valores dados en este indicador aun
considerando un 64% mas de material conductor para
conseguir una bobina de igual conductividad, el impacto
ambiental del Al es mucho menor que el del Cu
Eco-indicator method quantifies environmental impact in terms of “points”, where 1000
points roughly corresponds to the annual impact of an average European. Millipoints
(mpt) are often the appropriate units for evaluating practical decisions in design work.
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Materiales
Esteres – Vegetales y Sintéticos
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Nuevas tecnologias
Mas verde es mejor
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Introducción
Responsabilidad Global
Sostenibilidad es la responsabilidad que todos
tenemos en el equilibrio de las necesidades
económicas de la sociedad con un impacto social y
ambiental.
WWF (World Wildlife Fund) la define como la
mejora de la calidad de la vida humana, viviendo
dentro de la capacidad de carga de los
ecosistemas.
Las emisiones globales de CO2 son de hasta 30
Giga toneladas por año
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¿Cómo podemos contribuir a un futuro más verde ?
Eficiencia Energética
Reducción de emisiones de CO2
Seguridad
Atóxico
Menor riesgo para personal operativo
No inflamable ni explosivo
Reducción de la velocidad de
envejecimiento
Activos con mayor vida útil
Menor generación de desechos
Menor utilización de recursos naturales
Biodegradabilidad
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Limitaciones de los fluidos aislantes convencionales
En 1890, cinco años
después de la
invención de los
transformadores,
Brown Boveri & Cie
fue el primero en
utilizar el aceite de
base mineral como
medio aislante y
refrigerante de
transformadores.
Los fluidos aislantes de base mineral han
sido usados en transformadores desde
finales de los 1800’s (2 billones de litros/año)
El incremento en la demanda de energía a
menudo lleva al limite las envejecidas redes
(hasta 2% tasa de fallos en transformadores
grandes en los EE.UU.)
En esa situación, Los fluidos aislantes de
base mineral han mostrado costosas
limitaciones.
Combustibilidad - El aumento de los problemas de seguridad con explosiones
de transformadores e incendios causan graves daños colaterales que requieren
una importante infraestructura de seguridad contra incendios
Hostilidad al medio ambiente - Principales problemas ambientales con
derrame de aceite del transformador que debe ser tratado como residuos
tóxicos, a veces requieren de método de contención complicado y costoso
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Fluidos dieléctricos con base en ésteres naturales
Tendencias del mercado actual
ABB puso en
operacion sus
primeras unidades
usando aceite vegetal
en 1999
A partir de la década de 1980, los ésteres líquidos llegaron como una nueva
alternativa que combina excelentes propiedades de protección contra incendios
con alta biodegradabilidad
Los ésteres son una amplia clase de compuestos orgánicos, sintetizados
químicamente a partir de precursores orgánicos (ésteres sintéticos) o
disponibles a partir de productos agrícolas (ésteres naturales)
Los ésteres naturales han madurado hasta convertirse en un adecuado y
asequible fluido dieléctrico aislante.
Los ésteres naturales son ahora reconocidos
por la industria como fluidos dieléctricos
aislantes "menos inflamables" y respetuosos
con el medio ambiente.
Reconocidos por FM Global y UL
Especificados por las normas (ASTM D
6871, ABNT NBR 15422, IEEE C57.147.
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June 30, 2014 | Slide 44
Fuentes de aceite vegetal: Semillas
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June 30, 2014 | Slide 45
Resumen de las propiedades de los fluidos aislantes.
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June 30, 2014 | Slide 46
Ester Vegetal – Solución inteligente
Aceite vegetal es un éster natural hecho a
partir de semillas de plantas combinando…
1. Alta biodegradabilidad
2. Alta resistencia al fuego
3. Gran habilidad para retener la
humedad
4. Alta estabilidad a la oxidación para ser
un aceite de base vegetal.
5. Buen desempeño dieléctrico
Con Aceite Vegetal, ABB tiene como objetivo ofrecer una
solución completa y confiable para los transformadores de
distribución y potencia asociando el respeto por el medio
ambiente, con una mayor seguridad contra incendios y una mas
larga vida útil.
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Buen desempeño dieléctrico
Aceite Vegetal® has comparable dielectric breakdown strength
Fluid
Dielectric Breakdown
(ASTM D 877) kV
Dielectric Breakdown
(ASTM D 1816) kV
Vegetable Oil
52
36
Mineral Oil
50
35
Ester Vegetal mayor constante dieléctrica proporciona una mejor
adaptación a la constante dieléctrica de la celulosa impregnada
Las tensiones eléctricas se reducen en los ductos de aceite
(menor rigidez dieléctrica) y se aumenta en la celulosa
impregnada (mayor rigidez dieléctrica – constante dieléctrica)
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Fluid
Fluid Only
Impregnated Kraft Paper
Impregnated HD
Pressboard
Vegetable Oil
3.2
4.1
4.7
Mineral Oil
2.2
3.5
4.4
Transformadores de potencia inmersos en líquido
Ester Vegetal Calificado para altos voltajes
Aplicación de Esteres Vegetales en
transformadores de potencia pequeña y
mediana (hasta 275 kV, 100 MVA) es el
objetivo inicial
Incluye el rellenado y la modernización de los
transformadores de potencia pequeña y
mediana (hasta 275 kV, 100 MVA)
Objetivo último es extender oferta a voltajes
más altos y más altas potencias.
Las nuevas normas y directrices de diseño dieléctrico y térmico se requieren
para construir transformadores llenos de líquido a base de ésteres.
ABB ha desarrollado nuevas normas y directrices de diseño que están
permanentemente bajo revisión y validación haciendo seguimiento a unidades
piloto altamente instrumentadas.
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Miscibilidad de líquidos aislantes a temperatura
ambiente
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June 30, 2014 | Slide 50
Clasificación al fuego de fluidos de transformadores
Clasificación de los líquidos aislantes basados en el Punto de
flameo y Poder calorífico de acuerdo con la norma IEC 61100.
Clasificación de los fluidos
Propiedades de los fluidos
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June 30, 2014 | Slide 51
EXPLOSIONS & FIRES
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June 30, 2014 | Slide 52
Transformmadores inmersos en aceite vegetal
Alta resistencia al fuego
Flash Point ( °C)
Fire Point ( °C)
Vegetable Oil
330
360
Mineral Oil
(Typical)
160
180
Los aceites vegetales tienen potencial de mitigación de
riesgos en los costos resultantes de explosión y fuego
del transformador
Los costos de equipos activos extinción de incendios y
las paredes de barrera se pueden reducir o incluso
evitar con aceites vegetales
Los aceites vegetales tienen el potencial de tener
primas de seguro más bajas
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June 30, 2014 | Slide 56
Ester Vegetal – ABB sensible solution
Biodegradability
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Transformadores inmersos en aceite vegetal
Biodegradabilidad
80%
A pesar de ser biodegradable la contención secundaria sigue siendo
necesaria, los derrames de aceite vegetal pueden ser eliminados a
través de medios normales y no se tratan como residuos tóxicos.
También ofrecen un alivio potencial de sanciones gubernamentales
y costosos procedimientos de limpieza de derrames
Reducen al mínimo la contaminación del aire durante la combustión
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Transformadores inmersos en aceite vegetal
Biodegradabilidad
Classificación UBA
El Umwelt Bundes Amt (UBA) en Alemania evalua los
productos químicos y les da un indice de peligrosidad al
agua, o sea no peligrosos al agua en base a tres niveles
de peligro.
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Ester Vegetal – ABB sensible solution
Lower Cellulose Aging and
Overloadability
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June 30, 2014 | Slide 60
Transformadores inmersos en aceite vegetal
Humedad de saturación
Los Esteres tienen límites mucho más altos de saturación en todas las
temperaturas que el aceite mineral
En condiciones normales, la saturación de agua de los aceites éster natural es de 5
a 8 veces la de aceite mineral
Los esteres tienen una mayor afinidad por el agua que el aceite mineral
En los sistemas éster/papel, el papel retiene menos agua que en sistemas aceite
mineral / papel.
Los transformadores llenos con esteres permitirá la reducción del tiempo de
secado en las unidades en campo usando secado por aceite caliente.
El límite permisible de humedad en los aceites éster puede ser mucho mayor que
el permitido para el aceite mineral
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Beneficios expectativa de vida
Menor envejecimiento de la celulosa
Vegetable oil/crepe Vegetable oil/Kraft
paper
paper
Pruebas realizadas a papel impregnado con Aceite Vegetal
han mostrado una más baja tasa de envejecimiento en
comparación con el papel impregnado de aceite mineral
que lleva a un aumento de la vida útil del sistema de
aislamiento, por lo tanto en la vida útil del transformador.
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Beneficios expectativa de vida
Menor envejecimiento de la celulosa
Estudios de envejecimiento – condición del papel despues de envejecido
IEEE Transformer Committee Presentation,
Cooper Power Systems, Oct. 2003
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Beneficios expectativa de vida
Menor envejecimiento de la celulosa
VO/Crepe Paper:
VO/Kraft Paper:
MO/ Kraft Paper:
Tensile Strength
DP Criteria
498,072 hrs. (56.8 yrs.)
671,881 hrs. (76.6 yrs.)
336,738 hrs. (38.4 yrs.)
656,590 hrs. (74.9 yrs.)
906,342 hrs. (103.4 yrs.)
404,848 hrs. (46.2 yrs.)
Expectativa de vida a 100°C
Vegetable oil/crepe paper Vegetable oil/Kraft paper
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Doble
Vida util!
Transformadores inmersos en aceite vegetal
APLICACIONES
Donde la seguridad contra el fuego es esencial
Transformadores urbanos
Áreas subterráneas, subestaciones subterráneas
Zonas residenciales y fabricas
Hoteles, tiendas por departamentos, escuelas y hospitales
Aplicaciones en barcos
Donde la prevención de la contaminación del medio ambiente es especialmente
demandada
Zonas de suministro de agua, estaciones de tratamiento de agua
Zonas residenciales
Areas costeras u orilla de los rios
Donde se requiere sobrecarga continua o sobrecarga excepcional muy alta
Subestación primaria
Subestación móvil
Zonas Industriales
Donde el peligro de incendio es crítico
Plantas químicas
Plantas de tratamiento de aceite
Subestaciones cerca de zonas de alto riesgo de incendio
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Ester Vegetal– ABB sensible solution
Testing Methods and Applicable
Standards
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Normas aplicables a diferentes fluidos
© ABB Group
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Listado de metodos de prueba a diferentes fluidos
© ABB Group
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Listado de metodos de prueba a diferentes fluidos
© ABB Group
June 30, 2014 | Slide 69
Diagnóstico de diferentes fluidos
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Diagnóstico de diferentes fluidos
© ABB Group
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High Temperature Class
Transformers
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Transformadores clase Alta Temperatura
Transformadores clase Alta Temperatura
Ámbito de aplicación
Aumentar las aplicaciones de mercado (solicitud de ferrocarriles,
parques eólicos, subestaciones móviles, etc) con la disminución del
tamaño y peso. Aumentar la vida útil del transformador aumentando la
clase de aislamiento.
Desarrollar transformadores de alta clase de temperatura (aplicación
para la instalación en la ciudad) ya que algunos clientes (Endesa,
Publicas de Rusia) piden soluciones técnicas para las zonas de alto
riesgo de incendio.
Objetivo
Estudio de las propiedades térmicas, eléctricas y mecánicas de un
líquido de alta viscosidad como Midel, silicona, BioTemp.
Encontrar los mejores diseños eléctricos y el mejor desempeño de
enfriamiento para los transformadores de hasta 170 kV. Disminuir los
riesgos de incendio y explosión en ambientes especiales.
Tecnología
El papel clase alta temperatura y resina epoxi en lugar del tradicional
aislamiento de las bobinas. Midel o BioTemp en lugar de aceite mineral.
Tiene mejores propiedades eléctricas y térmicas que la silicona..
Transformadores clase Alta Temperatura
Tres opciones
Transformador hibrido: aislamiento sólido ( Clase alta temperatura mas papel de
celulosa) y aceite mineral;
Sistema de aislamiento homogeneo de alta temperatura (Transformador completo
de clase alta temperatura);
Transformador lleno con liquido clase alta tremperatura ( midel , silicona, Biotemp).
Mineral oil after 1 minute.
Mineral oil after 3 minutes. Mineral oil fully alight after 4 minutes.
Note the dense black smoke.
Aislamiento Nomex
MIDEL 7131 after 3 minutes.
MIDEL 7131 after 70 minutes. MIDEL 7131 at 324°C finally ignites.
Still no ignition.
Note very limited emission of smoke
compared to mineral oil.
Transformadores clase Alta Temperatura
Transformador con aislamiento hibrido
Tres diferentes categorias
Sistema de aislamiento Semi-Hibrido
Sistema de aislamiento Hibrido
Sistema de aislamiento Mixto
Transformadores clase Alta Temperatura
Sistema de aislamiento Semi-Hibrido
El sistema de aislamiento semihíbrido utiliza materiales líquidos
convencionales y de alta
temperatura sólo para el
aislamiento del conductor en
bobinas que operan por encima de
temperaturas convencionales.
Todos los demás materiales son de
aislamiento convencional
Aislamiento sólido: la clase alta
temperatura sólo para los
conductores de las bobinas
Líquido: convencional (aceite
mineral)
Transformadores clase Alta Temperatura
Sistema de aislamiento Hibrido
El sistema de aislamiento híbrido
utiliza materiales líquidos
convencionales y de alta
temperatura en toda la bobinas, pero
no necesariamente todos los
devanados (devanados terciarios)
Aislamiento sólido: clase alta
temperatura en todo el aislamiento
en contacto con conductores
calientes.
Líquido: convencional (aceite
mineral)
Transformadores clase Alta Temperatura
Sistema de aislamiento Mixto
El sistema de aislamiento mixto
usa aislamiento de alta
temperatura para ciertos
componentes o partes de las
bobinas, como los conductores en
las regiones con temperaturas por
encima de los límites
convencionales.
Aislamiento sólido: alta
temperatura para proteger contra
el calentamiento localizado en
regiones específicas de algunas
bobinas
Líquido: convencional (aceite
mineral)
Transformadores clase Alta Temperatura
Sistema de aislamiento Hibrido
El sistema de aislamiento Hibrido estudiado remplaza el papel y algunos
cartones con un material clase alta temperatura Nomex T994 y Nomex
T926, como se muestra en la grafica:
Transformadores clase Alta Temperatura
Hernan Escarria, PTI – Customer Day – Santiago – Chile June 2014
Transformadores para aplicaciones especiales
Variadores de velocidad (VSD)
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Transformadores para aplicaciones
especiales.
Aplicación
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Transformadores para varios segmentos industriales
Aplicación
Cemento, Minería &
Minerales
Química, Petróleo & Gas
Marina
Metales
Energía
Pulpa & Papel
Agua
Aplicaciones especiales,
ej. Tuneles de Viento
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Transformadores para aplicaciones especiales
Nuestra experiencia mas alla de aplicaciones estándar
Reactores
Energía Solar
Molinos de viento
Trafos reguladores
Hornos de arco
Rectificadores
Aplicaciones submarinas
Accionamiento de velocidad Variable
Corredores ferroviarios
Productos que hace su sistema completo
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Transformadores para aplicaciones especiales
Trenes – Desde el lado de las vias
Transformadores para trenes
Autotransformadores
Transformadores Booster
Trafos rectificadores DC 12/24 pulsos
Trafos alimentadores AC
Trafos convertidores estáticos (AC/AC)
Trafos auxiliares and aislamiento
Customers
EPC’s, Compañías ferroviarias
Características técnicas
Dimensiones especiales para trenes
Alta capacidad de cortocircuito
Frecuencia 16,7, 25, 50 y 60 Hz
Sistemas de unico y doble voltaje
Procesos de precalificación
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Railway
ABB - Productos y aplicaciones ferroviarias
SCADA
Convertidores
principales y auxiliares
Transformadores
potencia y tracción
Subestación
Productos de alta
tensión
Transformadores de Potencica
Interruptor interior de MV
Trafos de distribución y especiales
Motores de
tracción
Protección y control
Productos
de MV
intemperie
SemiConductores
Bajo
Voltaje
Subestaciones y
SCADA
Calidad de energía
Interruptores AC
Componentes de LV
Comunicacione
s
Convertidores & Semiconductores
Transformadores de tracción
Sistema de enclavamiento
Fusibles de Tracción
Motores and Generadores
www.abb.com/railway
© ABB
Group
© ABB
Inc.
June
2014
| Slide
June
30,30,
2014
| Slide
8787
Señalización
Equipo en el coche
Transformadores para hornos y rectificadores
Trafos para hornos y rectificadores
Trafos para hornos de arco
Trafos rectificadores de alta corriente
Nuevas instalaciones o remplazos
Clientes
Industria química y metalurgia
Características técnicas
Alta corriente secundaria
Multiples partes activas en un tanque
Todos los grupos de conexión
Contenido armónico
Multiple voltajes de baja tensión
Soluciones con autotransformadores
Alta capacidad de corto-circuito
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Transformadores Industriales.
Descripción general de procesos
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Transformadores para aplicaciones
especiales
Variadores de velocidad
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Por que controlar o variar la Velocidad?
Diferentes situaciones
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Por que controlar o variar la Velocidad?
Diferentes situaciones
© ABB Group
June 30, 2014 | Slide 92
Por que controlar o variar la Velocidad?
Diferentes procesos
© ABB Group
June 30, 2014 | Slide 93
Por que controlar o variar la Velocidad?
Diferentes procesos
Minería y transportadoras de minerales
Los primeros medios mecanizados
fueron las palancas, los rodillos y los
planos inclinados. En el siglo VII A.C.
aparecen las poleas
Después de la edad media los primeros
elevadores de cargas fueron fabricados
utilizando cadenas planas con
cangilones metálicos espaciados a
pocas pulgadas.
Hoy en día en su mayoría son utilizadas
bandas de hule con cangilones
plásticos.
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Por que controlar o variar la Velocidad?
Diferentes procesos
Minería y transportadoras de minerales
Los aparatos y máquinas de elevación y
transporte modernos de alta productividad que
trabajan a elevadas velocidades y que poseen
gran capacidad de carga aparecieron como
resultado de la perfección gradual de las
maquinas en el curso de mucho tiempo.
A las modernas líneas tecnológicas de
producción en cadena y automatizadas se
suma un sistema de variación de velocidad
eficiente y confiable con control de torque
asociado a las máquinas de elevación y
transporte y permiten ejecutar eficazmente la
continuidad y el ritmo de los procesos de
elaboración
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June 30, 2014 | Slide 95
Por que controlar o variar la Velocidad?
Diferentes procesos
Pulpa y papel
El proceso de bobinado en la industria
del papel es una buena aplicación de
variación de frecuencia, donde es
imprescindible la precisión y control del
torque en cada bobina de papel.
Propulsion de barcos
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Como controlar o variar la Velocidad?
Variador de velocidad mecánico
Un variador de velocidad
puede consistir en la
combinación de un motor y el
controlador que se emplea
para regular la velocidad del
mismo. La combinación de
un motor de velocidad
constante y de un dispositivo
mecánico que permita
cambiar la velocidad de
forma continua (sin ser un
motor paso a paso) también
puede ser designado como
variador de velocidad.
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Como controlar o variar la Velocidad?
Variador de velocidad electrónico
Un variador de velocidad mas
eficiente consiste en un circuito
electrónico que modifica la frecuencia
de la energía eléctrica entregada al
motor y de esa manera controla la
velocidad del mismo (ondulador).
De la exactitud de la ondulación
(numero de pulsos, simetría de las
operaciones de los componentes y
adecuada selección de los
dispositivos electrónicos) dependerá
la calidad de la onda entregada al
motor
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Cargas no lineales
Influencia en los transformadores
Las cargas no lineales son todas aquellas que generan
corrientes no sinusoidales, es decir, corrientes que además de
la componente fundamental tienen otras que son múltiplos
enteros de la fundamental y que se conocen como armónicos.
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Cargas no lineales
Influencia en los transformadores
Este tipo de cargas ha
existido en los sistemas
eléctricos desde el principio,
principalmente eran de tipo
magnético, como las
corrientes de excitación de
los transformadores y los
balastos magnéticos de
luminarias tipo fluorescente.
Su influencia en el sistema
eléctrico era escasa.
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Cargas no lineales
Influencia en los transformadores
La aparición de la electrónica
ha mejorado mucho las
propiedades de los productos
pero ha traído consigo, entre
otros problemas, la
generación de armónicos.
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Cargas no lineales
Influencia en los transformadores
RECTIFICADORES
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Cargas no lineales
Influencia en los transformadores
Los fabricantes de variadores de frecuencia de
motores de inducción explican como estos equipos
mejoran la eficiencia de las máquinas permitiendo
variar la velocidad de funcionamiento según las
necesidades de la aplicación, pero advierten que
éstos producen armónicos de orden 5, 7, 11, 13…
El orden característico de Armónicos (h) en el lado de
la línea con relación al número de pulsos del
rectificador (p) :
h= n x p ±1 (n=1,2,3... Cualquier número entero),
Un rectificador de 6 pulsos produce 6-1=5°, 6+1=7°,
12-1=11°, 12+1=13° armónicos de corriente (en el caso
ideal)
Un rectificador de 12 pulsos produce 12-1=11°,
12+1=13°, 24-1=23° and 24+1=25° armónicos de
corriente (en el caso ideal)
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Cargas no lineales
Influencia en los transformadores
Harmon ics - Example
1.5
1
pu
0.5
0
0
0.005
0.01
-0.5
-1
-1.5
tim e
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June 30, 2014 | Slide 104
0.015
fundam ental
3th harm onic
5th harm onic
7th harm onic
total
Cargas no lineales
Influencia en los transformadores
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Cargas no lineales
Influencia en los transformadores
Una manera de reducir armónicos es con conexiones
del transformador
Número de pulsos se puede aumentar mediante la
aplicación de varios grupos de 6 pulsos con un
desplazamiento de la fase de las tensiones de
alimentación.
30 grados de desfase se puede obtener mediante el
uso de la conexión básica de grupos de bobinas (Y y D)
Desfases distintos de 0 °, 30 ° (o múltiplos) requiere un
desfase especial. Las más comunes son las conexiones
Z y "delta extendida“
A medida que la potencia de los armónicos aumenta el
desempeño de la red se vuelve más crítico
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Cargas no lineales
Influencia en los transformadores / Conexiones
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Cargas no lineales
Influencia en los transformadores
Problemas de los armónicos.
Se observó, que a medida que aumentaban las cargas
electrónicas, los transformadores funcionaban con
ruidos y un calentamiento excesivo, e incluso que se
quemaban al cabo de uno o dos años.
Algunos se preguntaban:
¿Quizás los fabricantes de transformadores habían
abaratado costos introduciendo materiales de baja
calidad?. NO. Los transformadores eran los mismos, la
causa estaba en los armónicos.
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Cargas no lineales
Influencia en los transformadores
Problemas de los armónicos.
Las corrientes armónicas elevan las pérdidas adicionales en los
bobinados, barras de conexión, bridas del núcleo y paredes del
tanque principal, que pueden conducir a problemas térmicos como el
envejecimiento prematuro del transformador.
Grado de severidad depende del tipo de unidad rectificadora, de
carga y el diseño del transformador.
El diseño de los devanados debe ser capaz de soportar tensiones
mecánicas / térmicas debidas a la distribución de la temperatura más
desigual que con corriente sinusoidal únicamente ("efecto final").
Los puntos calientes localizados se deben evitar y cada
arrollamiento necesita ser analizado por separado.
El aumento de la temperatura debido al aumento de las pérdidas a
causa de las componentes armónicas debe estar dentro de los
límites especificados para el aumento de la corriente de carga real
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Transformadores en Presencia de Armónicos
Transformador convertidor
Elevación de Temperatura
El aumento de la temperatura con la corriente de carga
real, incluyendo las pérdidas debidas a los armónicos debe
estar dentro de los límites especificados.
Existe margen en el aumento de la temperatura con la
corriente sinusoidal.
El diseño de los devanados debe ser capaz de soportar
tensiones mecánicas / térmicas debidas a la distribución
de la temperatura más desigual que con corriente
sinusoidal ("efecto final").
Prueba de elevación de temperatura se puede hacer con la
potencia equivalente, o con un cálculo más detallado,
basado en la norma IEC 61378
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June 30, 2014 | Slide 110
Transformadores en Presencia de Armónicos
Voltaje modo común/transformador de entrada
Los voltajes de modo común resultan de la operación de
conmutación del inversor y aparecen a través del acoplamiento
capacitivo en los devanados del transformador en el devanado
de BT contra tierra (también llamado componente de secuencia
cero).
Estas tensiones de modo común aumentan el esfuerzo
dieléctrico en el aislamiento de los transformadores y deben ser
considerados en el diseño del transformador (nivel de aislamiento
se aumenta en comparación con los requisitos de IEC 60076)
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June 30, 2014 | Slide 111
Transformadores en Presencia de Armónicos
Voltaje modo común/transformador de entrada
6.0
5.5
5.0
VCommon
4.5
4.0
3.5
3.0
VSec
2.5
2.0
1.5
1.0
VOffset
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
-3.0
kV -3.5
-4.0
0
10
20
msec
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Transformadores en Presencia de Armónicos
Transformador convertidor
¿Por qué se necesitan transformadores
convertidores? (temas principales)
Adapta la tensión de alimentación de la red
a la tensión de entrada del convertidor.
Aísla el convertidor de la red de alimentación
y limita las corrientes de cortocircuito en el
convertidor.
Alivia al motor y / o red de tensiones de
modo común.
Reduce las radio interferencias (EMC) de la
unidad a la red (pantalla especial).
Protege la unidad de los transitorios de
voltaje de la red de alimentación.
Reduce los armónicos (impedancia del
transformador y conexiones especiales para
la operación multipulso).
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June 30, 2014 | Slide 113
Transformadores en Presencia de Armónicos
Incremento de esfuerzos mecánicos
Alto di / dt, debido a la forma de onda del puente
de diodos es causante de fuerzas mecánicas que
no están presentes con carga normal con onda
sinusoidal (es decir, el llamado "efecto martillo").
Normalmente, los rectificadores están protegidos
con una función de “disparo rápido”, esta función
hace un corto circuito pleno con el fin de que el
interruptor de alta tensión dispare
instantáneamente. Los transformadores de VSD
se enfrentan a muchos más corto-circuitos
durante su tiempo de vida que los
transformadores de red normales.
Algunas aplicaciones de velocidad variable tienen
carga muy cíclica, con continuos cambios rápidos
de poco % a 100% de la carga (por ejemplo, los
trenes de laminación)
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June 30, 2014 | Slide 114
Transformadores en Presencia de Armónicos
Pantalla EMC
3
2
1
4
Middle of
transformer window
La UE ha establecido límites para la radio
frecuencia (RF) la contaminación del sistema de
suministro eléctrico en el punto de conexión del
sistema de alimentación de la unidad (incluyendo el
transformador) EN 61800
La misma regulación se aplica también cada vez
más fuera de Europa
Sistemas de accionamiento por lo general no
cumplen con este requisito sin filtros.
La industria requieren que el sistema sea
compatible EMC (rotulado CE) en cualquier lugar,
aunque el requisito de la UE sólo es en el punto de
conexión a la red pública o a una distancia de 10
metros de la valla de frontera.
5
Metal foil
Insulating cylinder
5
Indicación: Esta es la descripción
La pantalla electrostática correctamente diseñada
general de la pantalla en la
es una manera rentable de cumplir el requisito para especificación del transformador,
el paquete rectificador- transformador
pero la fabricación real no es tan
simple
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June 30, 2014 | Slide 115
Transformadores en Presencia de Armónicos
Pantalla EMC
La pantalla electrostática también protege
contra los esfuerzos por voltaje de modo
común y del sistema de alimentación (rayo y
conmutación)
Potencias superiores a algunos MVA MVA con
corrientes armónicas típicas , las pérdidas en
la pantalla son importantes, el diseño debe
permitir su enfriamiento.
Transformadores de alimentación de VSD con
conmutación de alta frecuencia en el lado de
entrada (entrada activa), las pérdidas en la
pantalla pueden ser dramáticas.
Tipo incorrecto de los cables de puesta a tierra
de la pantalla puede hacer que la pantalla no
sea funcional.
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Indicación: Esta es una foto de una
pantalla de fabricación local de bajo
costo para transformador VSD en el
Lejano Oriente después de unas
semanas de operación con el 25% de
la carga con entrada activa y
frecuencia de conmutación de 3.2 kHz
Transformadores en Presencia de Armónicos
Factor K
Desclasificación de transformadores. El factor K.
En EEUU, en 1989, se pensó en cuantificar el calentamiento
producido en los transformadores cuando se presentan armónicos.
En esta situación el transformador no debe funcionar a su potencia
nominal y debe o cambiarse por otro de mayor potencia o
disminuirse la carga. El transformador se “desclasifica” asociándole
una potencia equivalente.
Esta potencia equivalente es igual a la potencia basada en el valor
eficaz de la corriente no sinusoidal multiplicada por el factor “K”.
Este factor “K” se define como aquel valor numérico que representa
los posibles efectos de calentamiento de una carga no lineal sobre el
transformador. Inicialmente se consideró llamar a este número “C”,
de constante, pero se temió que hubiese confusión con la unidad
grado centígrado y se optó por utilizar la letra “K”.
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June 30, 2014 | Slide 117
Transformadores en Presencia de Armónicos
Factor K
En Estados Unidos la asignación de K a un transformador lo realiza
Underwriter Laboratories (UL), no el fabricante.
El criterio UL1561 para establecer la clasificación es el siguiente:
Inicialmente se prueba al transformador con una corriente sinusoidal
de 60Hz para determinar las pérdidas en los devanados y en el
núcleo. Del total de las pérdidas en los arrollamientos se restan las
debidas al I2R, calculadas a 60Hz, y de este modo se deducen las
pérdidas de dispersión que se consideran fundamentalmente
producidas por corrientes de Foucault. Si el transformador es
adecuado para un factor K determinado, las pérdidas por dispersión
se multiplican por ese factor K y se suman a las debidas al efecto
Joule a 60Hz. Si la elevación de la temperatura media en los
devanados no supera la nominal el transformador es marcado como
válido para trabajar con cualquier carga no linear de ese o menor
factor K.
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June 30, 2014 | Slide 118
Los valores de K para transformadores catalogados por U.L. son: 1,
4, 9, 13, 20, 30 y 40.
Transformadores en Presencia de Armónicos
Factor K
ANSI/IEEE C57.110-1996 nos proporciona una guía para la desclasificación en
función del factor K de la carga y de las pérdidas de dispersión proporcionadas
por el fabricante del transformador. Como puede verse en la figura, este
método es muy conservador aún comparándolo con el indicado por UL
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June 30, 2014 | Slide 119
Transformadores en Presencia de Armónicos
Factor K
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June 30, 2014 | Slide 120
Transformadores en Presencia de Armónicos
Factor K
Secondary winding
h
q=
fh(pu)
6
Ih(pu)rms
fh^2
fh^2*h^2
Ih(pu)^2
Ih^2*h^2
1
1.000
0.960
1.000
1.000
0.922
0.922
0.922
2
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
4
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
5
0.200
0.192
0.040
1.000
0.037
0.922
0.184
7
0.143
0.137
0.020
1.000
0.019
0.922
0.132
8
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
10
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
11
0.091
0.087
0.008
1.000
0.008
0.922
0.084
13
0.077
0.074
0.006
1.000
0.005
0.922
0.071
14
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
16
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
17
0.059
0.056
0.003
1.000
0.003
0.922
0.054
19
0.053
0.051
0.003
1.000
0.003
0.922
0.049
20
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
22
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
23
0.043
0.042
0.002
1.000
0.002
0.922
0.040
25
0.040
0.038
0.002
1.000
0.001
0.922
0.037
29
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
31
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
35
0.000
0.000
0.000
0.000
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37
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0.000
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43
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0.000
47
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
49
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
0.000
1.041
9.000
1.000
8.300
1.573
0.078
© ABB Group
June 30, 2014 | Slide 121
Ih*h^2
Transformadores en Presencia de Armónicos
Factor K
HV (Primary)
LV (Secondary)
8.300
Eddy Loss multiplier
1.573
Stray loss multiplier
Eddy Loss multiplier
Stray loss multiplier
8.300
1.573
0.077754887
TDD
LV Losses
I2R
Power TX
designed
Eddy
22605
3.5
Rectifier
22605
791.1
6567
New Power
60094
/
Power TX designed
Max Power appl
HV Losses
I2R
Total Loss
Eddy
30898
0
30898
76052
=
11250kVA
10000kVA
DISEÑO BASE OK
© ABB Group
June 30, 2014 | Slide 122
Stray
27.9%
Stray
3.3
1019.6
8463
4780
7519
60094
76052
0.8889
Power Required
Power new design
10000
11250
Transformadores en Presencia de Armónicos
Factor K
HV (Primary)
LV (Secondary)
8.300
Eddy Loss multiplier
1.573
Stray loss multiplier
Eddy Loss multiplier
Stray loss multiplier
8.300
1.573
0.077754887
TDD
LV Losses
I2R
Power TX
designed
Eddy
22605
Rectifier
22605
New Power
63633
Power TX designed
Max Power appl
Stray
10
HV Losses
I2R
Total Loss
Eddy
30898
2260.5
18763
/
27.9%
0
30898
105431
=
11250kVA
8740kVA
10
3089.8
25646
4780
7519
63633
105431
0.7769
Power Required
Power new design
DISEÑAR TRAFO CON POTENCIA NEW DESIGN
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June 30, 2014 | Slide 123
Stray
10000
12872
Transformadores en Presencia de Armónicos
Efecto de los armónicos/ Modelamiento térmico
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June 30, 2014 | Slide 124
Transformadores en Presencia de Armónicos
Resumen
Modernas unidades de convertidores AC necesitan de transformadores
con diseños especiales - transformadores normales no son factibles
El hecho anterior ha sido la razón para desarrollar normas independientes que
han sido publicados por IEC e IEEE
Sin el apropiado diseño y fabricación del transformador, el rendimiento, la
fiabilidad y la duración del sistema no se puede garantizar.
El diseño especial debe tener en cuenta sobre todo
Aumento del esfuerzo dieléctrico
Problemas térmicos (en relación con los armónicos)
Aumento de los esfuerzos mecánicos
En muchos casos complejas conexiones internas para los desfases y diseños multi-bobina
Las consideraciones especiales se deben tener en cuenta especialmente para
accionamientos de media tensión y en general de las unidades por encima de 1
MW
ABB tiene una posición única, ya que puede ofrecer la gama completa de un
sistema de transmisión con sus productos.
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June 30, 2014 | Slide 125
Transformadores en Presencia de Armónicos
Normas
IEC 61378-1 Converter transformers,
Part 1 Transformers for Industrial
Applications
IEEE C57.18.10 IEEE standard Practices
for Semiconductor Power Rectifier
Transformers”
IEC no hace requerimientos sobre nivel
de aislamiento (BIL) IEEE si lo hace
Los diseños deben cubrir
iu
2000
Incremento del esfuerzo dieléctrico en el
lado del rectificador
Voltajes de modo común
Alto DU/dt
Corrientes armónicas
Compatibilidad electromagnética EMC
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June 30, 2014 | Slide 126
1500
1000
500
0
-500
-1000
-1500
-2000
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Colocar atención
El cálculo de armónicos se basa en una red puramente
inductiva y se refiere a una sola unidad.
Cables y las unidades de compensación de factor de potencia
pueden generar frecuencias de resonancia que pueden
aumentar la distorsión armónica de manera dramática si la
unidad rectificadora genera componentes armónicas de la
misma frecuencia.
Los sistemas de filtración de armónicos pueden resultar en un
exceso de compensación y empeorar los resultados.
Evite las redes débiles, una red tiene una potencia razonable:
SCmin > 25 * Peje
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June 30, 2014 | Slide 127
ACS 1000 – Transformador de alimentación
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June 30, 2014 | Slide 128
ACS 1000 – Transformador de alimentación
Medium Voltage
Supply Bus
Medium Voltage
Supply Bus
Main Feeder
Breaker
& Protection
I>> Prot
I>> Prot
Main Feeder
Breaker
& Protection
I>> Prot
24-pulse
Converter Input
Transformer
12-pulse
Converter Input
Transformer
24-pulse
Main Feeder
Breaker
& Protection
24-pulse
Converter Input
Transformer
Rectifier
Rectifier
Rectifier
12-pulse
Medium Voltage
Supply Bus
24-pulse ACS 1000i
• 12-pulse or 24-pulse topology
• Oil or dry type transformer
Conformity to IEC 61000-2-4 and IEEE 519/1992
Total power factor: 0.95 constant over speed range
Transformer can be placed inside the building or outdoor
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June 30, 2014 | Slide 129
ACS 1000 – 24-pulsos Transformador de alimentación
One 5-winding transformer
U
Two separate 3-winding transformer
U
L
I PN
L
I PN
Screen
P
D
A
P2
C
D
Uv0/2
Uv0/2
Uv0/2
Uv0/2
ISN/2
ISN/2
ISN/2
ISN/2
Id/2
P1
Screen
B
Uv0/2
ISN/2
Id/2
Screen
C
B
Uv0/2
ISN/2
Uv0/2
ISN/2
Id/2
U
Mas compacto y costo inferior.
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Uv0/2
ISN/2
Id/2
Id
Id
di0
Técnicamente comprometidp
(no hay armónicos caracteristicos)
A
Udi0
Técnicamente ideal y solución “segura”
Mas costoso y mas grande en tamaño.
Transformador rectificador de 12 pulsos Parte activa
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June 30, 2014 | Slide 131
ACS 6000 ”Doble ARU” con pasatapas Pfisterer
© ABB Group
June 30, 2014 | Slide 132
Solicitud del cliente
Especificación de requerimiento técnico
© ABB Group
June 30, 2014 | Slide 133
Doble ARU transformer
Dos partes activas
Un tanque común
© ABB Group
June 30, 2014 | Slide 134
ACS 5000 Amabilidad con las redes
Voltaje linea- linea
Scc = 500MVA, Xsc = 10%
© ABB Group
June 30, 2014 | Slide 135
THD = 1.19%
Corriente de fase TDD = 2.95%
Transformador para ACS 5000
Pruebas de rutina
© ABB Group
June 30, 2014 | Slide 136
ABB Transformadores especiales(PG SPT)
Mapa de asignación de mercado
Lead Center
Vaasa
South Boston
Pereira
© ABB Group
June 30, 2014 | Slide 137
Zhongshan
Shanghai
ABB Transformadores especiales(PG (PG SPT)
Fabricas para Transformadores VSD
Vaasa, Lead Center
• Marketing & Sales
• Market Intelligence
• Engineering
• R&D
• Production
• All VSD
© ABB Group
June 30, 2014 | Slide 138
Zhongshan
• Marketing & Sales
Pereira
• Marketing & Sales
• Engineering
• Production
• all VSD (excl.
ACS5000)
• Engineering
• Production
• up 10MVA (excl.
ACS5000)
Shanghai
Marketing & Sales • Production
South Boston
• LV VSD, ACS 1000
Engineering
Production
LV VSD, ACS 1000
ABB Pereira, Colombia
Fábrica de Transformadores Especiales Región SAM
Fabrica enfocada en trafos hasta 63 MVA y 172 kV para la región LAM
Localización geográfica estratégica
Tecnología ABB totalmente implementada
Mas de 40 años de experiencia en la fabricación de transformadores
Cultura de fabricación basada en excelencia operacional.
Tasa de fallas en sala de pruebas de talla mundial.
© ABB Group
June 30, 2014 | Slide 139
Información de Contacto
Si resultan preguntas o dudas, Favor contactarme
HERNAN ESCARRIA G
ABB Transformadores Pereira
Teléfono
© ABB Inc.
June 30, 2014 | Slide 140
+ 57 6 3136589
Cel
+ 57 3115617177
Mail
[email protected]