¿Qué pruebas debo realizar cuando diseño un transformador?

Estoy diseñando un transformador de potencia, y no sé qué pruebas debo realizar para asegurar el funcionamiento de mi diseño.. ¿qué hago? A continuación te mostramos…

Se estima que el 40% de las pérdidas de una red eléctrica se disipan desde transformadores de potencia. Hoy en día, cada aspecto del diseño puede afectar la eficiencia de un transformador de potencia: tanto pérdidas globales, como locales. De hecho, las pérdidas del efecto bobinado o en la carcasa son muy difíciles de estimar con métodos analíticos tradicionales. Algunas pérdidas siguen siendo muy difíciles de medir experimentalmente y requieren la evaluación con métodos de simulación: el análisis mediante elementos finitos se convierte en componente esencial para considerar todos los aspectos de un transformador de potencia y optimizar su comportamiento.

Existen diferentes pruebas en estado estacionario y transitorio para caracterizar un transformador de potencia, determinar su circuito equivalente y diseñarlo para manejar las limitaciones eléctricas y  mecánicas. En éste artículo analizaremos.

Modelos físicos específicos para Transformadores de Potencia.

El software Flux, al ser un software de análisis y simulación especialista en diseño de trasformadores, es posible ejecutar modelos de elementos finitos llamados circuit context, donde es posible diseñar un circuito eléctrico con varios componentes (tales como fuentes de corriente y tensión, diodos, interruptores, inductores…), así como características especiales del software Flux para modelado de bobinas: conductores trenzados y sólidos. También están disponibles Bobinas sin malla para diseñar cualquier conductor o devanado de manera rápida, manteniendo la precisión. Flux puede modelar bobinas o conductores especiales, corrientes de Eddy y Skin Effects.

Un nuevo modelo de región conductora de bobinas con pérdidas permite evaluar efectos de proximidad y skin en bobinas, sin representar cada alambre. Esto implica una solución rápida y menos requerimiento de memoria.

Gracias a las regiones dedicadas tales como regiones laminadas, superficies delgadas de conducción e impedancia, es posible modelar el skin effect en las partes conductoras (tanque del transformador, soportes estructurales, fijación de shunt) hasta varios MHz. Para materiales laminados, por ejemplo, existe una región específica por la cual el usuario no necesita representar y mallar cada capa delgada de la región: la anisotropía se considera durante la resolución.

Además, más de 450 materiales están disponibles en el Material Manager para diseñar un transformador de potencia. Algunas nuevas funciones de trazado y ploteo también ayudan a definir los materiales. También se ha implementado un nuevo modelo de histéresis para incrementar la exactitud del cálculo de la pérdida de hierro y evaluar la remanencia.

Varias pruebas de diseño de transformadores de potencia

Estudios multiparamétricos permiten analizar diferentes configuraciones geométricas o diferentes parámetros físicos para para considerar varios diseños de transformadores. La aplicación Steady State AC Magnetic modela transformadores y ejecuta pruebas para diseñar cualquier tipo de transformador en 2D y 3D:

• Prueba No-Load (Prueba de vacío, sin carga)
• Prueba Short circuit (cortocircuito)

A partir de estas pruebas, es posible determinar un circuito equivalente para un transformador. Los componentes en rojo en el diagrama equivalente se pueden determinar con la Prueba de vacío (No-load) y los demás, en verde, con la prueba de cortocircuito (Short circuit). Algunas simulaciones transitorias son también importantes para el diseño de un transformador:

• Prueba Inrush Current, determina las restricciones mecánicas y de corriente que el transformador tiene que abastecer cuando se conecta a la red.

Encuenta en nuestro blog, en un siguiente post, un caso práctico que ilustra los pasos del proceso de diseño y pruebas virtuales de un transformador de potencia

Además de transformadores de potencia, Flux es usado para diseñar:

• Transformadores de corriente
• Transformadores Multifase y fase simple
• Reactores de filtrado y compensación

Los dominios de Flux en transformadores e inductancias:

• Industria energética
• Industria de energía renovable
• Ferroviaria
• Aeroespacial

En análisis de transformadores, los siguientes estudios pueden ser ejecutados con Flux:

• Diseño y prototipado virtual de transformadores e inductancias (geometría, material, circuito eléctrico
• Optimización de eficiencia y cálculo de funcionamiento óptimo
• Estudio de sensibilidad de materiales a la temperatura (dependencia no lineal)
• Análisis térmico y de frecuencia (evaluaciones de pérdida)

Resultados obtenidos (outputs):

• Inducción magnética y energía magnética
• Distribución de Corrientes de Eddy en partes conductoras
• Pérdidas de Joule, pérdidas de Hierro, Stray losses
• Corrientes y voltajes versus tiempo
• Temperaturas: Color map distribution

Ventajas de Flux como software para trasformadores

• Facilidad de manejo de geometrías
• Formatos de archivos CAD para importación: STEP, IGES, DXF, STL, SAT, Inventor, Pro_E, CATIA V4, CATIA V5…
• Resolución multiparamétrica que permite el estudio de diferentes geometrías y propiedades físicas
• Descriptor eléctrico avanzado integrado en Flux, que incluye varios componentes para simulación de cargas (balanceadas y no balanceadas) y conexiones entre diferentes conductores
• Modelado de bobinas: aplicaciones específicas de Flux
• Conductores delgados y superficies de impedancia para modelar skin effect

Empresas que trabajan con Flux para el diseño de transformadores:

• ABB Secheron (Francia)
• Alstom (Francia)
• Siemens (Alemania)
• Defensa Nacional (USA, confidencial)
• IREQ
• Schneider Electric (Alemania, es el software de la empresa para diseño de transformadores)
• France Transfo (Francia)
• Jeumont Schneider transformateurs (Francia)
• EDF
• Areva
• Transrail
• Federal Mogul
• General Electric
• Korean Electrotechnology Research Institute (Korea)
• Iskra Stikala
• Trafomec
• Transfor
• Microspire
• G2Elab

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