ES2321638T3 - Transformador de nucleo toroidal. - Google Patents
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Abstract
Transformador de núcleo toroidal, especialmente transformador polifásico (101) con varios núcleos toroidales (102) dispuestos adyacentes en dirección axial, en el que, respectivamente, núcleos toroidales (102) adyacentes llevan arrollamientos de fases de diferentes fases, caracterizado porque los puntos de conexión de los arrollamientos de fases de dos núcleos toroidales (102) adyacentes están dispuestos desplazados entre sí en la dirección circunferencial.
Description
Transformador de núcleo toroidal.
La invención se refiere a un transformador de
núcleo toroidal, especialmente un transformador polifásico, con
varios núcleos toroidales dispuestos adyacentes en dirección axial,
en el que los núcleos toroidales adyacentes, respectivamente,
llevan arrollamientos de fases de diferentes fases.
Tales transformadores de núcleo toroidal se
conocen a partir del documento EP 0 557 549 A1.
Otros transformadores con núcleos toroidales
colocados superpuestos se conocen a partir de los documentos US 2
832 012 A, EP 0 510 252 A y WO 95/11514 A, de manera que en estos
transformadores los diferentes núcleos de fases no están asociados
a fases diferentes.
En los transformadores polifásicos con
arrollamientos de núcleo toroidal dispuestos adyacentes, se plantea
el problema de que entre los arrollamientos de fases individuales
existen altas diferencias de potencial de la tensión y, por lo
tanto, son necesarias medidas de aislamiento costosas, para evitar
saltos de chispa en caso de gotas de agua, salpicaduras de agua o
formación de hielo y para garantizar la seguridad funcional del
transformador polifásico. Dado el caso, incluso es necesario prever
una calefacción en el transformador polifásico, con el fin de
evitar, por ejemplo, saltos de chispas entre los arrollamientos de
fases individuales a través de la formación de hielo.
Las medidas de aislamiento son muy intensivas de
costes. Además, las medidas de aislamiento requieren un tamaño de
construcción determinado del transformador polifásico, con lo que se
eleva su necesidad de espacio.
Se conoce a partir de la patente europea EP 0
510 252 un transformador de núcleo toroidal trifásico, cuyos
núcleos toroidales están dispuestos adyacentes entre sí en dirección
axial y soportan en cada caso diferentes fases.
Este transformador de núcleo toroidal está
previsto para el funcionamiento en baja tensión. En el caso de un
empleo en el campo de tensión media, se producirían tanto en la zona
de las conexiones como también de los arrollamientos propiamente
dichos diferencias de potencial demasiado altas y, por lo tanto,
saltos de chispas.
En cambio, existe el cometido de crear un
transformador de núcleo toroidal del tipo mencionado al principio,
para el que solamente son necesarias todavía medidas de aislamiento
reducidas y cuyo tamaño de construcción es reducido. Además, con un
tamaño de construcción reducido debe ser posible también una alta
densidad de potencia.
La solución de este cometido de acuerdo con la
invención consiste en que los puntos de conexión de los
arrollamientos de fases de dos núcleos toroidales adyacentes están
dispuestos desplazados entre sí en la dirección circunferencial. El
desplazamiento de fases eléctricas entre los arrollamientos de fases
individuales del transformador polifásico se anula o bien se reduce
en la práctica a través de un desplazamiento mecánico de los
arrollamientos de las fases. De esta manera se reduce la diferencia
de potencial entre secciones adyacentes del arrollamiento de
diferentes fases, de manera que se requieren, de una manera
correspondiente, también medidas de aislamiento menos costosas para
el aislamiento de arrollamientos de fases adyacentes y, por lo
tanto, se reducen de la misma manera los costes para las medidas de
aislamiento. Debido a las diferentes reducidas de potencial entre
los arrollamientos de fases de núcleos toroidales adyacentes, éstos
se pueden disponer también a una distancia más reducida entre sí,
con lo que se reduce el tamaño de construcción para el transformador
polifásico.
Una forma de realización especialmente favorable
prevé que el desplazamiento o bien el ángulo geométrico entre los
puntos de conexión de los arrollamientos de fases de dos núcleos
toroidales adyacentes corresponda al desplazamiento de fases o bien
al ángulo eléctrico de las fases entre las señales de la tensión de
estos núcleos toroidales. Entre secciones de arrollamiento
directamente adyacentes de dos núcleos toroidales no existe
entonces prácticamente ya ninguna diferencia de potencial. En un
sistema trifásico, los puntos de conexión de los tres
arrollamientos de fases están dispuestos desplazados entre sí en
cada caso en torno a 120º, para compensar mecánicamente el ángulo
de las fases entre las fases individuales.
Puesto que entre los núcleos toroidales
individuales está previsto habitualmente un elemento distanciador
para la estabilización y retención mecánica, es posible permitir
diferencias de potencial insignificantes entre dos arrollamientos
de fases adyacentes, de manera que una torsión mecánica de los
núcleos toroidales reducida frente al desplazamiento eléctrico de
las fases es suficiente para evitar saltos de chispas de tensión
entre los arrollamientos de las fases también con medidas de
aislamiento reducidas o incluso suprimidas. De esta manera se
reducen los requerimientos de precisión en la fabricación del
transformador polifásico y se simplifica la fabricación.
Una forma de realización del transformador de
núcleo toroidal de acuerdo con la invención de importancia autónoma
prevé que esté prevista una carcasa con preferencia esencialmente de
forma cilíndrica, adaptada a la forma de construcción de
transformadores de núcleo toroidal para los núcleos toroidales con
arrollamientos de fases, y que de una manera preferida en un
extremo axial de la carcasa esté previsto un ventilador o soplante
similar. Los núcleos toroidales con los arrollamientos de fases
están dispuestos protegidos en la carcasa contra contaminación y
daño. Con el ventilador se refrigera la disposición, para evitar una
sobrecarga térmica del transformador polifásico.
La carcasa con las medidas de refrigeración
previstas favorece una estructura compacta del transformador con
alta densidad de potencia. En particular, en un transformador
polifásico de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación
2, esto repercute de una manera favorable porque también estas
medidas conducen a una estructura compacta, que hace necesarias
medidas de refrigeración correspondientes.
Para la refrigeración del transformador
polifásico es posible también que en la zona de los núcleos
toroidales estén dispuestos conductos huecos para un refrigerante y
que de una manera preferida la carcasa del transformador esté
configurada como intercambiador de calor y esté conectada con los
conductos huecos. La carcasa puede estar configurada en este caso
de doble pared, para derivar el calor especialmente bien hacia
fuera. El refrigerante se puede bombear con una bomba a través de
los conductos huecos y la carcasa.
Una forma de realización especialmente favorable
prevé que en el lado exterior de la carcasa estén previstos cuerpos
de refrigeración o elementos sobresalientes similares para
incrementar la superficie de la carcasa, o que la carcasa presenta
una superficie perfilada. A través de la superficie incrementada se
deriva mejor el calor y se pueden evitar sobrecargas térmicas.
También es posible fundir las bobinas de
transformador individualmente con resina fundida, de manera que a
través de la resina fundida se configura una carcasa para la bobina
respectiva. En este caso, puede estar previsto un molde de
fundición configurado de forma complementaria a los cuerpos de
refrigeración o bien a las nervaduras de refrigeración deseados,
para obtener de esta manera directamente durante la fundición de
las bobinas el contorno exterior deseado con elementos
sobresalientes para el incremento de la superficie. A través de la
fundición de las bobinas se consigue, por una parte, una
estabilización mecánica del arrollamiento de fases como también un
acoplamiento térmico directo entre el arrollamiento y la carcasa
formada por medio de la resina fundida. Por lo demás, con la
fundición se consigue una alta resistencia a la tensión.
Se puede incrementar también una superficie en
primer lugar lisa de la carcasa haciendo rugosa, estructurando o
bien perfilando la superficie a través de un procedimiento adecuado,
por ejemplo decapado o chorreado con arena.
De una manera preferida, la superficie tiene una
estructura, con la que se puede derivar mejor el calor. Hay que
mencionar todavía que la distancia y los elementos de aislamiento se
pueden fundir al mismo tiempo con la fundición de las bobinas del
transformador.
Otra posibilidad para la refrigeración del
transformador de núcleo toroidal consiste en que está previsto un
depósito de alojamiento con un medio de refrigeración para el
alojamiento parcial o total del transformador.
Una forma de realización especialmente ventajosa
prevé que los núcleos toroidales del transformador polifásico con
sus arrollamientos de fases respectivos estén configurados de forma
modular y que esté previsto un dispositivo de retención para la
retención y para la fijación mutua de los núcleos toroidales de tipo
modular. Varios módulos se pueden interconectar de tal forma que se
puede elevar la potencia del transformador. De esta manera, se
pueden realizar transformadores con potencias por encima de 100MVA.
Por lo demás, a través de la estructura de tipo modular es posible
continuar accionando el transformador en caso de avería de uno de
los módulos, conectando un módulo de sustitución dado el caso de
forma provisional y permaneciendo de esta manera todo el
transformador preparado para el funcionamiento. Por lo tanto, no es
necesario preparar un transformador de reserva completo, al que se
puede conmutar en el caso de un defecto. De esta manera se ahorran
costes y se reduce la necesidad de espacio para un módulo de
reserva en comparación con la necesidad de espacio de un
transformador de reserva completo.
Los módulos individuales son retenidos con un
dispositivo de retención y son fijados en su posición relativamente
entre sí. En el dispositivo de retención pueden estar previstos
también elementos de aislamiento para el aislamiento de los
arrollamientos de las fases, especialmente hacia fuera. En dirección
axial, entre núcleos toroidales adyacentes o bien entre sus
arrollamientos de fases solamente tienen que estar previstos
elementos de retención o elementos de apoyo como soportes para los
núcleos toroidales, para mantener los núcleos toroidales en su
posición e impedir un resbalamiento de los núcleos toroidales. En
este caso, no son necesarias medidas de aislamiento especiales
debido a la torsión mecánica de los puntos de conexión de los
arrollamientos de fases de acuerdo con la posición de la fase
eléctrica en los arrollamientos de fases respectivos y las ventajas
descritas anteriormente conseguidas de esta manera.
A continuación se explica en detalle la
invención con la ayuda de una figura.
La figura 1 muestra en representación
esquemática una sección lateral a través de un transformador
polifásico de acuerdo con la invención con tres núcleos toroidales
dispuestos adyacentes en dirección axial.
En la figura 1 se representa un transformador
polifásico designado, en general, con 10, que presenta tres núcleos
toroidales 102 colocados superpuestos en dirección axial. Unos
núcleos toroidales 102 adyacentes respectivos llevan en este caso
arrollamientos de fases de diferentes fases, de manera que los
arrollamientos de fases están colocados en cada caso sobre cuerpos
de bobinas 103 que rodean los núcleos toroidales 102 en forma de
anillo. En este caso, unos cuerpos de bobinas 103 pueden estar
dispuestos de forma alternativa adyacentes o superpuestos entre sí
en cada caso con arrollamientos primarios y secundarios. También es
posible que sobre un cuerpo de bobinas 103 se apliquen en común,
respectivamente, arrollamientos primarios y secundarios.
Los núcleos toroidales 102 están dispuestos en
un dispositivo de retención 104, que presenta carriles de guía
105a, 105b exteriores así como interiores para la formación de una
zona de alojamiento para los núcleos toroidales 102. Los carriles
de guía 105a, 105b están constituidos en cada caso de material
aislante, de manera que los núcleos toroidales 102 o bien los
arrollamientos de fases están aislados lateralmente hacia el
exterior sobre los cuerpos de bobinas 103 de los núcleos
anulares.
El dispositivo de retención 104 presenta en el
lado inferior una pieza de fondo 107, que está constituida de la
misma manera de material aislante. En la pieza de fondo 107 están
previstos elementos de apoyo aislantes 108 para el núcleo toroidal
inferior 102. En este caso, pueden estar previstos varios elementos
de apoyo 108 distanciados entre sí, o está previsto un anillo
continuo como elemento de apoyo 108. Entre los núcleos toroidales
102 individuales están previstas en cada caso piezas distanciadoras
109, con las que se fijan los núcleos toroidales 102 o bien los
cuerpos de bobinas 103 asociados en cada caso a los núcleos
toroidales 102 en su posición relativa entre sí. Por encima del
núcleo toroidal superior 102 están previstos de nuevo elementos de
apoyo 108 aislantes, sobre los que se apoya una pieza de cubierta
110 y los núcleos toroidales 102 están aislados también en el lado
superior hacia fuera.
El transformador polifásico 101 representado en
la figura 1 está configurado como transformador trifásico. Los
puntos de conexión no representados en detalle de los arrollamientos
de fases individuales de los núcleos toroidales 102 o bien de los
cuerpos de bobinas 103 están dispuestos en cada caso desplazados
entre sí alrededor de 120º. Los arrollamientos de fases están
dispuestos de esta manera desplazados mecánicamente entre sí en la
medida de un ángulo, que corresponde al desplazamientos de las fases
eléctricas o bien al ángulo eléctrico de las fases entre las
señales de la tensión de estos arrollamientos de fases.
Especialmente en la zona de las piezas
distanciadoras 109, es decir, allí donde núcleos toroidales
adyacentes tienen la mínima distancia entre sí, no está presente
prácticamente ninguna diferencia de potencial en dos zonas opuestas
de dos núcleos toroidales 102 o bien cuerpos de bobinas 103. Por lo
tanto, tampoco son posibles saltos de chispas de la tensión entre
núcleos toroidales 102 adyacentes cuando los núcleos toroidales 102
están dispuestos estrechamente adyacentes entre sí. El transformador
polifásico 101 puede estar constituido en este caso compacto y con
necesidad de espacio reducida. Además, entre los núcleos toroidales
102 individuales, en la zona de las piezas distanciadoras 109 no
son necesarias medidas de aislamiento o solamente pocas medidas de
aislamiento, con lo que se ahorran costes y se simplifica la
construcción.
Los núcleos toroidales 102 están configurados de
tipo modular con sus núcleos de bobinas 103 respectivas. En el caso
de un defecto en uno de estos módulos, se puede sustituir el núcleo
toroidal respectivo por un módulo de sustitución o bien se puede
separar eléctricamente el módulo defectuoso y se puede conectar un
módulo de sustitución provisionalmente en el transformador
polifásico 101. Por lo tanto, no es necesario preparar un
transformador completo como aparato de reserva, sino que es
suficiente preparar un núcleo toroidal con los cuerpos de bobinas
que llevan los arrollamientos de fases como módulo de reserva. De
esta manera, se ahorran costes y se reduce la necesidad de espacio
para un aparato de reserva.
Claims (8)
1. Transformador de núcleo toroidal,
especialmente transformador polifásico (101) con varios núcleos
toroidales (102) dispuestos adyacentes en dirección axial, en el
que, respectivamente, núcleos toroidales (102) adyacentes llevan
arrollamientos de fases de diferentes fases, caracterizado
porque los puntos de conexión de los arrollamientos de fases de dos
núcleos toroidales (102) adyacentes están dispuestos desplazados
entre sí en la dirección circunferencial.
2. Transformador de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque el desplazamiento o
bien el ángulo geométrico entre los puntos de conexión de los
arrollamientos de fases de dos núcleos toroidales (102) adyacentes
corresponde al desplazamiento de fases o bien al ángulo eléctrico de
las fases entre las señales de la tensión de estos núcleos
toroidales (102).
3. Transformador de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque está prevista
una carcasa con preferencia esencialmente de forma cilíndrica,
adaptada a la forma de construcción de transformadores de núcleo
toroidal para los núcleos toroidales (102) con arrollamientos de
fases, y porque de una manera preferida en un extremo axial de la
carcasa está previsto un ventilador o soplante similar.
4. Transformador de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque en la zona de
los núcleos toroidales (102) están dispuestos conductos huecos para
un refrigerante y porque de una manera preferida la carcasa del
transformador (101) está configurada como intercambiador de calor y
está conectada con los conductos huecos.
5. Transformador de acuerdo con una de las
reivindicaciones 3 ó 4, caracterizado porque en el lado
exterior de la carcasa están previstos cuerpos de refrigeración o
elementos sobresalientes similares para incrementar la superficie
de la carcasa, en particular porque la carcasa presenta una
superficie perfilada.
6. Transformador de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque está previsto un
depósito de alojamiento con un medio de refrigeración para el
alojamiento parcial o total del transformador (101).
7. Transformador de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque los núcleos
toroidales (102) del transformador polifásico (101) con sus
arrollamientos de fases respectivos están configurados de forma
modular y porque está previsto un dispositivo de retención (104)
para la retención y para la fijación mutua de los núcleos
toroidales (102) de tipo modular.
8. Transformador de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque las bobinas del
transformador están fundidas individualmente con resina fundida y
presentan con preferencia un perfilado exterior para incrementar la
superficie.
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