CALCULO Y DISEÑO DE MAQUINAS ELECTRICAS

APENDICE 8 - USO Y APLICACIONES DE LOS PROGRAMAS

Introducción

Esta obra inicia con cuatro volúmenes, donde se estudian cada una de las cuatro máquinas. A partir de este quinto volumen se tratan temas específicos y complementarios ligados al proyecto de cada uno de los tipos de máquinas. También para estos temas la herramienta de aplicación son programas que permiten aplicar los conceptos desarrollados, se incluyen también algunos programas auxiliares.

Concretamente el programa que se presenta resuelve el problema de calcular el calentamiento del transformador, y el dimensionamiento de la refrigeración.

El programa es de tipo «batch», para ejecutarlo es necesario haber preparado previamente el lote de datos correspondiente que se puede hacer con un editor.

A título de ejemplo describimos en forma genérica el uso en detalle.

Preparación del lote de datos

La preparación de datos debe hacerse con un editor de textos (EDIT, NOTEPAD u otro equivalente). El formato de los datos es libre, separados por un blanco, sólo debe cuidarse que cada renglón contenga el número de datos que corresponde. Entre renglones de datos puede haber comentarios, que inician con asterisco o C (mayúscula) el programa los descarta al momento de la lectura.

Ejecución del cálculo

La ejecución del programa de cálculo en este caso inicia preguntando donde están los datos, debe responderse indicando el archivo previamente preparado, luego pregunta donde deben ir los resultados debiendo responderse también.

Es conveniente que los resultados queden grabados en un archivo para poderlo ver utilizando también para ello alguno de los editores citados o bien la modalidad BROWSE (que muestra sin permitir modificaciones), o el recomendable "shareware" LIST que trabaja en modo análogo.

Ejercicios propuestos

A fin de experimentar como se ejecuta el programa se proponen problemas.

El interesado en ejecutarlo puede generar un archivo con los datos que se indican en la tabla, debe tenerse cuidado que los datos incluyan en todos los casos el punto decimal, mientras que para los valores nulos es indispensable escribir 0.0.

Algunos de los problemas que siguen se han resuelto con una propuesta que no necesariamente es única, mientras que para otros sólo se da su enunciado.

El lector, al ejercitarse debe intentar comprender cuales son los caminos que se adoptan para resolver el problema, en base a sus conocimientos tratar de descubrir otros, y explorarlos comparando las soluciones y decidiendo en forma justificada.

PROBLEMAS DE CALENTAMIENTO DE TRANSFORMADORES

Problema 1:

Se dispone de los resultados del cálculo un transformador de distribución de 630 kVA, y se requiere realizar el cálculo térmico, es decir determinar la cantidad de radiadores necesarios para satisfacer las condiciones de funcionamiento establecidas por las normas. Se preparan los datos, y al ejecutar el programa se obtienen los resultados mostrados: datos01.

Este cálculo se ha realizado en el modo de dimensionamiento, para lo cual se debe introducir en los datos para la variable DTCON el valor de sobreelevación de temperatura media del conductor sobre el ambiente fijado por las normas, es decir 65 ºC.

Se utilizó el método que supone que el radiador, en la condición de ensayo disipa exclusivamente por convección, este caso se define introduciendo como dato "TIPO = 1", también se puede emplear el método que supone que el radiador en la condición de ensayo disipa como en la situación de trabajo (convección más radiación) que se define como "TIPO = 4" obteniéndose: datos02.

Se puede observar que para el segundo cálculo se definen 5 radiadores, mientras que para el primero sólo 4. Ejecutando el cálculo en modalidad de verificación (dejando DTCON igual a 0.0) y fijando el número de radiadores en 4, con el método "TIPO = 4" resulta: datos03 se observa que con idéntica refrigeración, el cálculo con el primer método es más optimista.

Problema 2:

Analizar la influencia de la cantidad de radiadores y del incremento medio máximo del aceite. Los cuatro cálculos se han realizado ejecutando el programa en la modalidad de verificación, con el método "TIPO = 1" resultando: datos04.

Tabla 1 - Comparación de saltos de temperatura en función del número de radiadores.

Número de radiadores 7 10 11 11
Elementos por radiador 5 5 5 5
Radiadores totales 35 50 55 55
Incremento salto medio max. aceite 1.14 1.14 1.18 1.14
Saltos de temperatura Cº:
aceite superior / inferior (DTW)
aceite medio
aceite máximo
media conductor-ambiente		 .
15.18
54.2
61.8
68.4		 .
12.66
45.2
51.5
59.4		 .
15.02
41.7
49.2
55.9		 .
11.95
42.7
48.6
56.8

Se observa, como es lógico, que cuando el número de radiadores aumenta, la temperatura baja, los márgenes de seguridad crecen, análogamente puede notarse como influye el tamaño de los radiadores.

También se observa (para el mismo número de radiadores) la influencia del incremento medio / máximo del aceite, al reducirse se produce un aumento de la temperatura del conductor.

Problema 3:

Se efectúa la comparación para las condiciones de funcionamiento de la refrigeración ONAN y ONAF, con incremento del 30% de la potencia. Los cálculos se han realizado ejecutando el programa en la modalidad de verificación el método "TIPO = 1" resultando: datos05.

Problema 4:

Se analiza la influencia de la temperatura ambiente, y en consecuencia de la posibilidad de sobrecarga. La potencia está definida con una temperatura ambiente de 40 ºC, si en cambio la temperatura ambiente es de 20 ºC el transformador alcanzará aproximadamente las mismas temperaturas máximas con mayor carga. Los cálculos se han realizado con el método "TIPO = 1" suponiendo un incremento medio máximo del aceite igual a 1.2 resultando: datos06.

Tabla 2 - Comparación de temperaturas en función del estado de carga y de la temperatura ambiente.

Carga
p.u.		 Temp ambiente
ºC		 Aceite máximo
ºC		 Devanado
ºC		 Punto caliente
ºC
1.0 40 89.5 103.7 107.9
1.0 20 70.8 85 89.3
1.2 20 84.7 103.8 109.6

Problema 5:

Se comparan los resultados obtenidos en el ensayo de calentamiento, con los resultados del cálculo, como es lógico los cálculos se han realizado ejecutando el programa en la modalidad de verificación empleando el método "TIPO = 1" obteniéndose: datos07.

Si se construye un prototipo se puede ajustar el modelo, y en particular el modelo sugerido en este trabajo se ha puesto a prueba comparando los resultados de cálculo con los valores obtenidos en el ensayo de calentamiento de una máquina construida.

La figura 612 compara los resultados obtenidos de la medición realizada con el prototipo y los valores calculados con el modelo propuesto, en particular se destaca que con la máquina ensayada que tiene un total de 56 radiadores se obtuvo una sobretemperatura conductor ambiente de 49.9 ºC, que comparado con los resultados del cálculo 53.0 ºC (realizado con 55 radiadores), muestra la satisfactoria aproximación.

MAQUINAS ELECTRICAS

Problema 6:

Se comparan los resultados del cálculo térmico de un transformador de distribución de 63 kVA obtenido de la bibliografía [3], con los resultados del cálculo ejecutando el programa en la modalidad de verificación, empleando el método "TIPO = 2" que adopta como elementos para la refrigeración tubos disipadores, fijando su valor en 18 tubos obteniéndose: datos08. La sobretemperatura máxima del aceite resulta 60.1 ºC, prácticamente el límite fijado por las normas, mientras que la sobretemperatura media del conductor es de 68.2 ºC superando el límite de 65 ºC.

El cálculo se repite pero en modo de dimensionamiento (DTCON igual a 65.0) obteniéndose: datos09. En este caso el número de tubos resulta 23, la sobretemperatura máxima del aceite 56.1 ºC está por debajo del límite fijado y la media del conductor resulta 64.9 ºC.

Problema 7:

Con los resultados del cálculo del transformador de distribución de 630 kVA se requiere realizar el cálculo térmico con otra solución constructiva, utilizando una cuba ondulada con aletas en vez de radiadores. Se preparan los datos y se ejecuta el programa en el modo de dimensionamiento, introduciendo como dato "TIPO = 3" y manteniendo el mismo incremento para el salto medio máximo del aceite (RDT = 1.3), obteniéndose: (hacer click) datos10.

Si se comparan los valores de sobretemperaturas del aceite y del devanado con los obtenidos para el problema 1 se observa una satisfactoria aproximación.

Esta forma constructiva utilizada en la actualidad para cualquier tipo de transformador hasta una potencia de 5000 kVA, con tanque conservador o hermético, presenta algunas características técnicas y de producción interesantes, como por ejemplo una simple y robusta construcción mecánica, mínimas tolerancias de fabricación ± 0.5 mm, soldaduras controladas, peso comparativamente moderado, barnizado exterior con ciclos anticorrosivos a pedido del cliente, barnizado interno anti-aceite de bajo espesor.

Con dimensiones de altura de aletas de 400 a 1200 mm, profundidad de 50 a 400 mm, con paso desde 45 mm en adelante y espesores de chapa de 1.2 mm.

Permite además la realización de pruebas de acuerdo con las normas, de control mecánico (hermeticidad) con una presión de +1/- 0.5 bar.

Punto caliente

Finalmente cabe agregar que para la determinación del punto caliente se adopta el método indicado en la bibliografía [1] - [2] que supone que la temperatura del aceite dentro de los devanados crece linealmente de la parte inferior a la superior, que la sobreelevación de temperatura de los devanados también crece en forma lineal, manteniéndose constante la diferencia entre la sobreelevación de temperatura media del aceite y de los devanados.

La sobreelevación de temperatura del punto caliente resulta mayor que la sobreelevación del conductor en la parte superior del arrollamiento. La sobreelevación del punto caliente respecto al aceite superior se puede obtener a partir del factor H multiplicado por la diferencia entre la sobreelevación de temperatura media del aceite y de los devanados.

El factor H puede variar entre 1.1 a 1.5 dependiendo del tamaño del transformador, de la impedancia de cortocircuito y del diseño de los devanados.

El programa al final de la salida muestra un esquema de las temperaturas del aceite y de los devanados como así también del punto caliente indicando el valor de la temperatura ambiente y del factor H adoptados para los cálculos.

Bibliografía

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