programa de máquinas eléctricas iii

MÁQUINAS ELÉCTRICAS III
1
IDENTIFICACIÓN DE LA ASIGNATURA
CODIGO:
REQUISITO:
PROGRAMA ACADEMICO:
INTENSIDAD SEMANAL:
DURACION:
2
IE983
IE643 CIRCUITOS ELÉCTRICOS II
IE833 ELECTROMAGNETISMO II
Ingeniería Eléctrica
4 Horas
16 Semanas
OBJETIVOS
-Estudiar los principios asociados a los conceptos de los circuitos eléctrico y magnético enlazados y su aplicación al estudio de
los transformadores.
-Preparar al estudiante en el conocimiento de las normas (ICONTEC, ANSI, IEC, etc.) que regulan el diseño, fabricación y
pruebas de los transformadores comerciales.
-Estudiar los elementos básicos (técnicos y económicos) que intervienen en el diseño de los transformadores.
3
CONTENIDO
UNIDAD 1. ¿QUE ES UN TRANSFORMADOR?
¿Qué es un transformador? Como funciona un transformador. Equilibrio ente flujo magnético, voltaje inducido y corriente de
excitación. Equilibrio en el caso de voltaje alterno aplicado. Equilibrio cuando el transformador está cargado. Características de
rendimiento. Diferencias entre un transformador con carga y otro en vacío. Normas ICONTEC, ANSI/IEEE, IEC sobre
transformadores. Fenómenos que se presentan en un transformador energizado.
DURACIÓN: 2 horas
BIBLIOGRAFIA: 1
UNIDAD 2. EL CIRCUITO MAGNÉTICO
Circuito magnético. ¿Cómo es el núcleo? Tipos de construcción del núcleo. Núcleos acorazados y columna. Características
electromagnéticas de un núcleo. Flujo y corriente. Saturación. La curva de saturación. Diseño de núcleos con hierro de grano
orientado. Ruido y constricción magnéticos. Magnetostricción y tensión mecánica. Resonancia. Resonancia del núcleo del
transformador. Zumbido. Medida y control del nivel de ruido. Barreras contra el sonido. Diseño de transformadores silenciosos.
Factor de espacio del núcleo. Pérdidas de energía en los núcleos ferromagnéticos. Métodos de separación de pérdidas: Método
de las dos frecuencias, Método del factor de forma, Método de la temperatura y Método de la histéresis DC. Corrección de las
pérdidas medidas por efecto de la distorsión de la forma de onda por el método de Asner (Aparece en la norma ANSI
C57.12.90). Consideraciones tecno-económicas de la ecuación fundamental del transformador. Cálculo de las pérdidas en el
hierro y de los voltiamperios de excitación. Problemas de aplicación.
DURACIÓN: 6 horas
BIBLIOGRAFÍA: 1, 4, 6, 7 Y 8.
UNIDAD 3. EL CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN TRANSFORMADOR MONOFÁSICO
Introducción. Transformador ideal. Transformador no ideal de núcleo ideal. Concepto de flujos de dispersión y circuito
equivalente parcial de un transformador. Corriente de magnetización y circuito equivalente exacto de un transformador.
Concepto de inductancia propia y mutua. Coeficiente de acoplamiento y constantes asociadas a un transformador de núcleo
lineal. Formas modificadas de los circuitos equivalentes. Circuitos equivalentes de los transformadores de núcleos
ferromagnéticos. Diagramas complejos para un transformador de núcleo de hierro. Circuitos equivalentes aproximados de un
transformador de núcleo de hierro. Determinación de los parámetros del circuito equivalente (Ensayos de corto circuito y circuito
abierto). Circuito equivalente simplificado de un transformador. Problemas de aplicación.
DURACIÓN: 6 horas
BIBLIOGRAFÍA: 2, 4, Y 6.
UNIDAD 4. CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA
Cálculo del circuito eléctrico del transformador: resistencia, reactancia de dispersión, tensión de cortocircuito, pérdidas en los
devanados, pesos y dimensiones de los devanados. Regulación de voltaje de los transformadores de potencia. Pérdida en la
carga. Rendimiento convencional. Rendimiento energético o cíclico. Ciclo de carga. Parámetros normalizados o en p.u. de un
transformador de núcleo de hierro. Regulación y eficiencia en p.u. Problemas de aplicación.
DURACIÓN: 6 horas
BIBLIOGRAFÍA: 1, 3, 4, 5 Y 6.
UNIDAD 5. AUTOTRANSFORMADORES
Autotransformador ideal. Relaciones de tensiones y corrientes. Valores nominales. Pérdidas y rendimiento. Corriente de
excitación. Circuitos equivalentes y fenómenos de impedancia. Ventajas y desventajas de los autotransformadores.
Transformador de dos devanados trabajando como autotransformador. Problema de aplicación.
DURACIÓN: 2 horas
BIBLIOGRAFÍA: 4 Y 6.
UNIDAD 6. AISLAMIENTO DE LOS DEVANADOS
Características de un buen diseño de los devanados. Tipos de devanados: Devanados concéntricos y Devanados intercalados.
Técnicas de devanados: Compensación de circuitos serie y paralelo, Devanados en capas, Bobina o devanado Helitran,
Devanado concéntrico graduado, Devanado tipo disco continúo y Devanado tipo espira continuo. Voltajes a los cuales está
sometido un devanado. Estructuras aislantes: Propiedades dieléctricas. El campo dieléctrico. Graduación del esfuerzo (Capacidad
inductiva específica o constante dieléctrica). Efecto del tamaño de los electrodos. Forma de los electrodos. Los mecanismos de
ruptura del aislamiento. Ruptura de aislamientos con voltajes unidireccionales. Velocidad de elevación del voltaje. Formación de
corona en un fluido. Efecto de las coronas sobre el campo electroestático. Salto de chispa o corrimiento. Ruptura por alud de
electrones en los sólidos. Cargas especiales. Rupturas de aislamientos con voltajes alternos. Consecuencias del efecto corona.
Aplicación de la teoría a aislamientos de los transformadores. Materiales utilizados como aislamientos (Conferencia). Problemas
de aplicación.
DURACIÓN: 8 horas
BIBLIOGRAFÍA: 1 Y 7.
UNIDAD 7. TEMPERATURA DE LOS TRANSFORMADORES
Temperatura en los transformadores desde el punto de vista del usuario y del diseñador. Forma general de cálculo de
temperatura. Flujo de calor desde el cobre y a través de los aislamientos. Relación entre flujo de calor, flujo de aceite y
temperatura. Flujo de termosifón, diagrama y medios empíricos para determinar el flujo del líquido y la temperatura de
distribución. Flujo de calor desde el aceite al aire, circulación del termosifón. Radiación. División del tanque y los enfriadores en
zonas verticales. Cálculos de temperatura: gradiente cobre-aceite. Ecuaciones de elevación de temperatura del aceite sobre el
ambiente y de los devanados sobre el aceite. Cálculos de la capacidad de carga de los transformadores en función del
comportamiento térmico (Conferencia). Problemas de aplicación.
DURACIÓN: 6 horas
BIBLIOGRAFÍA: 1 Y 7.
UNIDAD 8. TRANSFORMACIONES POLIFÁSICAS
Extensión de los conceptos del sistema monofásico al sistema polifásico. Tipos de núcleos trifásicos y comportamiento con los
terceros armónicos. Polaridad de los devanados y su relación con los grupos vectoriales. Aplicación de los grupos vectoriales.
Propiedades de las conexiones y comparación entre ellas desde los puntos de vista de: Terceros armónicos, desfases entre las
fuerzas electromotrices primarias y secundarias. Comportamiento con cargas equilibradas y comportamiento en caso de fallas.
Conexiones especiales: Conexión V-V, Conexión T-T y Conexión Zig-Zag. Transformador tridevanado. Banco trifásico con
transformadores monofásicos vs. Transformador trifásico: Comparación técnico-económica. Problemas de aplicación.
DURACIÓN: 10 horas
BIBLIOGRAFÍA: 2, 3 Y 4.
UNIDAD 9. OPERACIÓN EN PARALELO DE TRANSFORMADORES
Condiciones que han de cumplir los transformadores para que el funcionamiento en paralelo sea posible. Grupos Vectoriales
compatibles. Realización práctica del acoplamiento. Problemas de aplicación
DURACIÓN: 4 horas
BIBLIOGRAFÍA: 2, 3 Y 4.
UNIDAD 10. EFECTOS DE LAS IMPEDANCIAS DE LOS TRANSFORMADORES Y FENOMENOS DE ARMONICOS EN LOS
CIRCUITOS TRIFASICOS
Circuitos equivalentes monofásicos para condiciones de equilibrio. Armónicos en los sistemas monofásicos. Armónicos en los
sistemas trifásicos. Primarios conectados en triángulo y en estrella. Igualación de las tensiones de los neutros en los bancos
estrella-estrella. Impedancias de secuencia cero, positiva y negativa en un transformador trifásico de núcleo único. Problemas de
aplicación.
DURACIÓN: 6 horas
BIBLIOGRAFÍA: 4.
UNIDAD 11. CONFERENCIAS
Materiales para la fabricación de transformadores. Aspectos técnicos sobre fallas de transformadores. La temperatura en los
transformadores.
DURACIÓN: 8 horas
4
METODOLOGIA
Clase teórica presencial. Complemento del tema en tareas y ejercicios. Algunas demostraciones prácticas.
5
EVALUACION
Se desarrolla con base en dos previas y un examen final escritos; complementadas con informes, trabajos, programas para
computador y exposición de normas técnicas.
Parcial I
Parcial II
Tareas y trabajos
Parcial Final
6
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Bean, R.L.; Chackan, N.; Moore, H. y Wentz, E.: Transformadores para la industria eléctrica.
Ras, Enrique: Transformadores.
Corrales N., Juan: Teoría, cálculo y construcción de transformadores.
E.E. Staff del M.I.T: Circuitos Magnéticos y Transformadores.
Gingrich, Harold W. Máquinas eléctricas, transformadores y controles.
Gourishankar, Vembu: Conversión de energía electromagnética.
Giraldo M., Orlando. Conferencias varias transformadores.
IEEE: Artículos Varios.
Bibliografía complementaria
Martin J. Heathcote. J & P Transformer Book. Newnes, 2007.
James H. Harlow (editor). Electric power transformer engineering, USA: CRC Press, 2004.
Stephen J. Chapman. Electric Machinery, 4th ed. New York: Mc. Graw-Hill, 2005.
A. E. Fitzgerald, Charles Kingsley Jr., Stephen D. Umans. Electric Machinery, 6th ed. New York: Mc-Graw Hill, 2002.