Transformadores utilizados en minas (con diagrama)
Después de leer este artículo, aprenderá sobre los tipos y el mantenimiento de los transformadores utilizados en las minas.
Transformadores:
Los transformadores se utilizan ampliamente en las minas, tanto en la superficie como bajo tierra. Para mantener la caída de voltaje en un valor bajo sin utilizar cables grandes, la potencia eléctrica se distribuye a 3, 300 voltios o 6, 600 voltios.
Este voltaje, aunque es ideal para la distribución, es demasiado alto para su uso en máquinas con superficie de carbón o en máquinas más pequeñas en otros lugares subterráneos, por lo que los transformadores se utilizan para transformar estos altos voltajes a 550 voltios o 1100 voltios.
El voltaje más común en las minas es de 550 voltios. Los paneles de perforación y los paneles de iluminación también contienen transformadores para obtener los voltajes más bajos requeridos de la fuente de voltaje medio. Estos transformadores se denominan transformadores reductores.
En las minas, los transformadores elevadores no se utilizan en absoluto para fines comunes. Un transformador, de hecho, es un dispositivo para obtener un suministro de corriente alterna de un voltaje requerido de una corriente alterna de otro voltaje.
Los transformadores son de dos tipos:
a) transformadores monofásicos y
(b) Transformadores polifásicos.
(a) Transformadores monofásicos:
Un transformador monofásico consta de dos bobinas, completamente aisladas de otra herida a un núcleo laminado de silicona blanda de grado de silicona. El suministro está conectado a un devanado, conocido como el primario, y la salida se toma del otro, conocido como el secundario.
El bobinado secundario generalmente se enrolla sobre el núcleo laminado, pero las bobinas están adecuadamente aisladas del núcleo laminado. El devanado primario se enrolla sobre el devanado secundario. Se proporciona un cilindro aislante adecuado entre el devanado primario y el secundario.
En la figura 12.1 se muestra la representación eléctrica de un transformador monofásico:
(b) Transformadores polifásicos:
Un transformador destinado a cambiar el voltaje de un suministro con más de una fase debe estar equipado con un devanado primario y un devanado secundario para cada fase. Un transformador para un suministro trifásico tiene una estructura central similar a la que se muestra en la Fig. 12.2. Un devanado primario se enrolla con su correspondiente devanado secundario, en cada brazo del núcleo.
En un transformador polifásico, todos los devanados primarios están interconectados para completar el circuito primario, y de manera similar, todos los devanados secundarios están conectados para completar el circuito secundario. Los devanados de un transformador trifásico pueden estar conectados en estrella o en triángulo.
El principio del transformador se basa en el principio básico de la inducción mutua continua. Cuando se conecta una fuente alterna al devanado primario de un transformador (el secundario permanece interconectado), fluye una corriente en el circuito primario.
El devanado tiene una impedancia inductiva muy alta, por lo que la corriente que fluye es muy pequeña. Como el devanado tiene una resistencia baja en comparación con esta inductancia, la corriente se retrasa casi 90 ° con respecto al voltaje aplicado. Esta corriente de retraso se denomina corriente de magnetización, ya que su función es crear un campo magnético en constante cambio.
El devanado secundario del transformador se encuentra dentro de este campo magnético, de modo que se induce una fem alternada en él. La fem inducida se retrasa 90 ° detrás de la corriente de magnetización que la induce. Por lo tanto, esta fem está por debajo de la tensión primaria, es decir, la tensión secundaria está en antifase con la tensión primaria. La figura 12.3 explica esto.
Cualquier tensión que se aplique al devanado primario de un transformador inducido en el secundario es proporcional al mismo, la relación real entre ellos depende del diseño del transformador.
En un transformador monofásico, la relación entre los voltajes primario y secundario es la misma que la relación entre el número de vueltas en el devanado primario y el número de vueltas en el devanado secundario. La relación se expresa mediante la fórmula.
Por lo tanto, todos los transformadores reductores tienen menos vueltas en el devanado secundario que en el devanado primario. Por el contrario, los transformadores elevadores tienen más vueltas en el devanado secundario que en el devanado primario. Si, por ejemplo, el devanado primario tiene 50 giros y el secundario tiene 100 giros, el voltaje de salida será el doble del voltaje de entrada.
El transformador se describiría entonces como un transformador elevador 2: 1. De manera similar, si el primario tiene 200 vueltas y el secundario tiene 100, entonces el voltaje de salida será la mitad del voltaje de entrada, dando un transformador reductor de 2: 1.
Una relación similar se mantiene entre la tensión de entrada y salida de los transformadores trifásicos, siempre que ambos conjuntos de devanados estén conectados de la misma manera, es decir, siempre que ambos estén conectados en estrella o ambos estén conectados en delta como se muestra en la Fig. 12.4.
Si los dos conjuntos de devanados se conectan de manera diferente, la relación se mantiene entre los voltajes en los devanados correspondientes, pero la relación entre los terminales de entrada y salida es diferente, como se muestra en la Fig. 12.4.
Pero en un transformador ideal, se asegura que la totalidad del flujo generado por la fem alterna en el primario, vincula todos los giros en el devanado secundario. De hecho, en el uso práctico, hay que considerar un coeficiente de fuga. Sin embargo, la relación establecida entre la tensión y el flujo desarrollado es
Circuito equivalente de transformador:
Ahora veamos brevemente el circuito equivalente real de un transformador que tiene X 1 y R 1 como reactancia primaria y resistencia, y X 2 y R 2 como reactancia y resistencia secundaria. La figura 12.4 muestra un circuito equivalente simplificado con resistencia R y reactancia X, referido al primario. Los valores de R y X se dan como
A partir de la prueba de cortocircuito, (lo que significa pasar una corriente de carga completa a través del transformador con el cortocircuito primario o secundario), se pueden determinar los valores de R y X. De hecho, debido al cortocircuito de cualquiera de los devanados, se requerirá un voltaje reducido. Esta tensión también se llama tensión de impedancia.
Ahora, cuando se carga el transformador, habrá una caída en el voltaje debido a la resistencia de los devanados primario y secundario y también debido al flujo de fugas magnéticas, que de hecho aumenta con el aumento de la carga. De hecho, a partir del razonamiento anterior, la regulación aumenta con el aumento de la carga.
Transformador de corriente:
Un transformador de corriente es un tipo de transformador diseñado para proporcionar una salida de voltaje proporcional a la corriente que fluye en el devanado primario. El primario de un transformador de este tipo se conectaría en serie con una carga en un circuito de alimentación, como un motor, y la salida secundaria se usaría con el fin de utilizar el sistema de protección contra sobrecargas.
Por lo tanto, la corriente que fluye en el primario está determinada por la carga que se está suministrando, y el circuito de alimentación prácticamente no se ve afectado por la cantidad relativamente pequeña de energía que toma el transformador.
El primario de un transformador de corriente generalmente consiste en una o dos vueltas formadas de un conductor de cobre pesado. El devanado secundario generalmente tiene un número muy grande de vueltas y ambos devanados se forman en un núcleo de laminación.
Algunos transformadores de corriente consisten en un devanado secundario que se sujeta sobre el aislamiento de un solo núcleo. El campo magnético producido por la corriente que fluye a través del centro del núcleo es suficiente para inducir una salida en el secundario.
El transformador de corriente funciona con el mismo principio que el transformador de voltaje normal, pero el principio se aplica de una manera diferente. Dado que la tensión y la frecuencia de la alimentación al circuito en su conjunto son constantes, la corriente varía solo si la impedancia total del circuito varía.
Si la corriente aumenta, la impedancia total ha disminuido y la impedancia del primario del transformador, aunque muy leve, representa una mayor proporción de la impedancia total del circuito. Por lo tanto, la diferencia de potencial en el primario aumenta y el voltaje de la salida secundaria aumenta proporcionalmente. El sistema se explica en la Fig. 12.5 para una fácil referencia y realización.
Transformador automático:
Un autotransformador opera según un principio similar a un transformador ordinario, pero tiene un solo devanado, que es común a los circuitos primario y secundario, como se muestra en la Fig. 12.6. Generalmente se diseña como un transformador reductor con una diferencia relativamente pequeña entre el voltaje primario y secundario.
Su único uso en las minas de carbón es para arrancar motores de corriente alterna. Nunca se usa para proporcionar un suministro continuo para un circuito de menor voltaje, porque existe el peligro de que, en el caso de una conexión defectuosa, se pueda aplicar todo el voltaje primario al circuito secundario.
Transformador subterráneo:
En días anteriores, todos los transformadores de potencia utilizados bajo tierra eran del tipo lleno de aceite, con un rango de 75 KVA a alrededor de 250 KVA, pero ahora están siendo reemplazados por transformadores de tipo seco certificados a prueba de fuego que van de 300 KVA a 750 KVA.
Prácticamente todos los equipos de coalface obtienen suministro de estos transformadores ignífugos utilizados para suministrar circuitos intrínsecamente seguros, como los circuitos de señalización. Están construidos especialmente con una pantalla conectada a tierra entre los devanados primario y secundario, para garantizar que la tensión primaria no pueda conectarse al circuito secundario, incluso si hay una falla completa del aislamiento.
Transformadores llenos de aceite:
Los transformadores diseñados para pasar cargas pesadas de potencia generalmente se llenan con un aceite aislante para que todos los devanados y el núcleo queden sumergidos. El aceite evita la entrada de humedad (que reduce en gran medida la resistencia dieléctrica del aislamiento de aire) y, por lo tanto, mantiene una mayor resistencia de aislamiento entre los devanados y entre las partes activas y la tierra.
El aceite también ayuda a enfriar el transformador. Las fuertes corrientes eléctricas que fluyen a través de los devanados provocan un aumento considerable de la temperatura. Cuando el aceite circundante se calienta, las corrientes de convección se instalan en el aceite, lo que ayuda a expulsar el calor de los devanados.
Algunos transformadores se construyen con tubos de refrigeración que se proyectan desde los lados de la caja o tanque. El aceite que circula a través de los tubos se enfría más rápidamente, de modo que el enfriamiento del transformador es más eficiente. Los transformadores más grandes llenos de aceite están equipados con un respiradero para que el aire pueda entrar y salir cuando el aceite se expande o contrae cuando se calienta o enfría.
Un respirador normalmente contendrá un producto químico que absorbe la humedad, como el gel de sílice, para evitar que la humedad se absorba y contamine el aceite. Los geles de sílice, cuando están secos, serán de color azul, y cuando se humedecen, el color cambia a rosa.
Transformadores a prueba de llamas, enfriados por aire:
Con la introducción de la mecanización de la superficie de carbón, la cantidad y el tamaño de las máquinas de la superficie de carbón aumentaron enormemente y se hizo necesario instalar transformadores más grandes cerca de la cara de carbón para mantener al mínimo la caída de voltaje entre el transformador y el motor.
Estos transformadores son del tipo seco, es decir, el tanque está lleno de aire. Los tanques son de construcciones de acero soldadas y están certificados como ignífugos. El equipo de distribución de alta tensión que controla el transformador también es a prueba de llamas y está montado en el transformador.
Hay una cámara a prueba de incendios en el LV y en el transformador que alberga la fuga a tierra y el equipo de protección contra cortocircuitos. Si el sistema de protección contra fugas a tierra o el sistema de protección contra cortocircuitos detectan la falla en el circuito de LV saliente, automáticamente dispara el interruptor HV. El interruptor HV también proporciona protección contra sobrecargas y fallas a tierra para transformadores.
Potencia en el transformador:
Si el devanado secundario está conectado a un circuito con una carga, el voltaje inducido conducirá una corriente a través de la carga. El secundario del transformador, por lo tanto, suministra energía a su circuito. La potencia suministrada por el secundario solo puede derivarse de la fuente de alimentación en el circuito primario. Tan pronto como la corriente fluye en el circuito secundario, una corriente correspondiente fluye en el primario.
La energía se transfiere del circuito primario al circuito secundario por medio del campo magnético en constante cambio que une los dos. El núcleo laminado intensificó el campo y el entretejido del devanado hace que el enlace sea lo más cercano posible. En un transformador bien diseñado, muy poca energía se disipa dentro del propio transformador.
La potencia extraída del transformador por el circuito secundario es, por lo tanto, casi la misma que la potencia tomada por el transformador del circuito primario. En efecto, la energía pasa de la fuente de suministro primaria a través del transformador al aparato que lo utiliza. El efecto del transformador es simplemente cambiar la tensión a la cual se entrega la potencia.
La potencia transmitida por un circuito está determinada tanto por el voltaje que se le aplica como por la corriente que fluye en él. Dado que la potencia que toma el circuito secundario es igual a la potencia entregada por el circuito primario, la corriente requerida para transmitir una cantidad determinada de energía en los dos circuitos depende de los voltajes a los que opera el circuito.
La relación entre la corriente primaria y la secundaria es, por lo tanto, la inversa de la relación entre los voltajes. La corriente de magnetización es tan pequeña en relación con las corrientes de transmisión de energía que, para la mayoría de los propósitos, sus efectos pueden ignorarse.
Aunque los devanados del transformador son altamente inductivos, la corriente que fluye en ellos cuando el transformador está en carga no necesariamente se queda atrás de sus voltajes. Si, por ejemplo, la carga en el circuito secundario fuera capacitiva, entonces las corrientes en los dos circuitos conducirían sus voltajes.
Las corrientes primarias y secundarias, como las tensiones primarias y secundarias, están en antifase. Cualquier emf posterior inducida en el devanado secundario por la corriente secundaria es cancelada por la emf directa inducida mutuamente en ese devanado por la corriente primaria. De manera similar, cualquier emf posterior inducida en el devanado primario se cancela mediante una fem progresiva inducida mutuamente por la corriente secundaria.
Sin embargo, si la carga secundaria tiene un factor de potencia inicial o retrasado, este factor de potencia se traslada del circuito secundario al primario. Las corrientes primarias y secundarias permanecen en antifase, y cada uno se retrasa o lleva su voltaje en la misma cantidad.
Es importante tener en cuenta que la corriente de magnetización en el circuito primario, al ser una corriente inductiva, tiene un pequeño efecto porque hace que la corriente primaria total se retrase ligeramente en comparación con la corriente secundaria. Por lo tanto, los transformadores contribuyen al retraso del factor de potencia en un sistema de pozo, pero el efecto de un transformador en el factor de potencia es bastante pequeño en comparación con el efecto del motor de inducción que suministra.
Mantenimiento del transformador:
A diferencia de los motores, ya que los transformadores no tienen partes móviles, requieren muy poco mantenimiento, si se combinan adecuadamente con la aplicación de carga, y el sistema de suministro y control es eficiente. Sin embargo, las principales tareas involucradas en el mantenimiento del transformador se detallan a continuación.
El programa de mantenimiento de cada transformador que proporcione la frecuencia de inspección, y los controles que se realizarán en cada ocasión, serán establecidos por el ingeniero eléctrico de la mina de carbón, y esto debe ser seguido de cerca.
1. General:
Inspeccione cuidadosamente el transformador de vez en cuando para asegurarse de que las conexiones, los devanados y el núcleo estén en buenas condiciones. El caso de un transformador ignífugo debe revisarse para detectar grietas y el mantenimiento de los huecos correctos en las juntas.
2. temperatura:
Registre la temperatura de los devanados para asegurarse de que el transformador no se sobrecaliente. La verificación de la temperatura es más confiable si se realiza después de que el transformador ha estado en plena carga durante un período de varias horas.
El sobrecalentamiento es más probable que sea causado por una sobrecarga eléctrica, pero también puede ser causado por la falla del aislamiento entre la laminación del núcleo o, en un transformador lleno de aceite, por el deterioro del aceite o la falla del aislamiento entre Capas o las vueltas del devanado del transformador.
3. Aislamiento:
Inspeccione el aislamiento regularmente para asegurarse de que no se haya deteriorado físicamente, por ejemplo, que no se haya vuelto quebradizo. Mida la resistencia de aislamiento entre los devanados primario y secundario, y entre cada devanado y tierra, con un comprobador adecuado.
Para probar la resistencia de aislamiento del devanado secundario a tierra, es necesario eliminar el enlace a tierra del punto neutro, si lo hay. Es importante asegurarse de que el enlace de conexión a tierra se reemplace después de la prueba.
4. Resistencia a la bobina:
Mida la resistencia de los devanados con un puente y compare las lecturas de vez en cuando con los valores dados en la especificación. Una marcada divergencia del valor esperado y especificado, particularmente si ocurre en una fase de un solo devanado, indica una falla, por ejemplo, un cortocircuito entre vueltas.
5. Nivel de aceite:
Observe el nivel de aceite y agregue aceite fresco si es necesario para mantener el nivel correcto. La caja o el tanque deben inspeccionarse para detectar posibles fugas de aceite.
6. Condición del aceite:
Examine el aceite en busca de signos de trineo. El lodo se verá como un depósito pegajoso en los devanados y en los lados o en la parte inferior del tanque. Su presencia cubre los devanados y evita que el aceite los enfríe. Si se encuentra lodo, el transformador debe drenarse, limpiarse a fondo el aceite y rellenarse con aceite nuevo y probado.
7. Pruebas de aceite:
Una vez al año, o con más frecuencia si es necesario o dudoso, se toma una muestra de aceite del transformador y se envía a un laboratorio para su análisis. Las pruebas están destinadas a garantizar que el aceite no haya absorbido agua y que no se haya vuelto ácido. La presencia de humedad en el aceite reduce su resistencia dieléctrica y puede provocar una ruptura del aislamiento. La acidez provoca corrosión en el interior del devanado del transformador.
8. respirar
Si el transformador está lleno de un respiradero, observe la condición del gel de sílice y renueve el químico cuando esté saturado. El gel de sílice generalmente se colorea para indicar su condición, cambia de azul a rosa a medida que absorbe la humedad.
