Los transformadores

Los transformadores de potencia son elementos muy importantes para la transmisión de energía eléctrica, permitiendo el cambio de niveles de tensión en la red. La mayoría de los transformadores son energizados con fuentes sinusoidales a 60 Hz; sin embargo, en la actualidad es común encontrar sistemas eléctricos en los cuales los transformadores están expuestos a excitaciones no sinusoidales con frecuencias variables controladas por electrónica de potencia. Esta condición es diferente a la que usualmente se considera para el diseño de este dispositivo. Por lo tanto, es importante verificar los posibles efectos de formas de onda no convencionales en el desempeño del transformador.

Circuitos alimentadores para motores de potencia accionados por convertidores fuente de tensión a grandes distancias requieren en muchos casos de transformadores elevadores. Una de las tecnologías más utilizadas en estos controladores es la modulación por ancho de pulsos (PWM por sus siglas en inglés), la cual se caracteriza por estar formada de pulsos rápidos de tensión. Este tipo de excitación puede deteriorar rápidamente el sistema dieléctrico de los devanados del transformador, reduciendo su tiempo de vida.

En este trabajo se realizó el análisis del esfuerzo dieléctrico generado en el devanado primario de un transformador de 25kVA cuando es sometido a excitaciones no sinusoidales. Se utilizó un modelo de parámetros concentrados en el dominio del tiempo implementado en Matlab para reproducir el comportamiento interno del devanado. Los parámetros de capacitancia fueron obtenidos de COMSOL Multiphysics. Al ser excitado por formas de onda tipo PWM de dos, tres y cinco niveles se observó el efecto que altas relaciones dv/dt (cambio del potencial respecto al tiempo) tienen en la distribución de tensión del devanado. La excitación tipo PWM de dos niveles genera mayores magnitudes de sobretiro de tensión y una distribución de potencial menos lineal en la aparición de cada pulso. En consecuencia, se obtuvieron magnitudes mayores de esfuerzos dieléctricos entre capas y entre espiras.

Para configuraciones donde un transformador se encuentra a kilómetros de distancia del convertidor, se realizaron simulaciones en PSCAD de un convertidor de dos niveles conectado a un cable de transmisión. Se observó que las señales PWM generan sobretiros en las terminales de la carga debido a las reflexiones producidas por el cable.

Además, se realizaron mediciones de descargas parciales en laboratorio para conocer el efecto del incremento de la relación dv/dt en excitaciones aplicadas a materiales dieléctricos de devanados de transformador. Se observó que el incremento de esta relación incrementa las magnitudes de descarga parcial en el dieléctrico, degradándolo más rápido.

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