WO2019078737A1

WO2019078737A1 - Método para la fabricación de transformadores trifásicos modulares de núcleo triangular con yugos en y

Info

Publication number: WO2019078737A1
Application number: PCT/PE2017/000027
Authority: WO
Inventors: Anibal Eduardo ISMODES CASCÓN; Oscar Antonio MELGAREJO PONTE
Original assignee: Pontifica Universidad Católica Del Perú
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2019-04-25
Also published as: WO2019078737A8

Abstract

Método para la fabricación de transformadores trifásicos moduladores de núcleo triangular con yugos en Y, que consta de las etapas de: apilado de planchas ferromagnéticas formando tres columnas de sección cuadrada o escalonada, cortes transversales en inglete a 45° y oblicuos de las aristas en los extremos formando una columna trapezoidal y dos piezas con forma de heptaedro con una arista a 120°, ensamblaje de dichas piezas formando una base con forma de estrella y las respectivas columnas, montaje de las bobinas en cada columna, cierre del núcleo triangular con medios de sujeción verticales.

Description

MÉTODO PARA LA FABRICACIÓN DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS MODULARES DE NÚCLEO TRIANGULAR CON YUGOS EN Y

CAMPO TECNOLÓGICO

La presente invención pertenece al campo tecnológico de los procedimientos o aparatos para la fabricación y/o montaje de transformadores eléctricos trifásicos.

ESTADO DE LA TÉCNICA

El concepto de transformador triangular, simétrico espacialmente, es conocido desde fines del siglo XIX. Ya en los años 40 se presentaron patentes al respecto, como, por ejemplo: US2401952, US4588971 .

A partir de los primeros años del presente siglo, se ha comenzado a comercializar con éxito los denominados transformadores trifásicos de núcleo triangular con yugos en D, también conocidos como Three-dimensional wound core transforméis o como triangular wound core Transforméis, algunos ejemplos los podemos encontrar en las patentes: US5202664, US 20030090355. Una variante de los anteriores, son los transformadores con núcleos de forma triangular en delta, como, por ejemplo: US20150235752, US20160005536. Otra variante son los transformadores de núcleo triangular con yugos en Y, los que, en comparación con los transformadores convencionales de tres columnas, poseen una estructura con las siguientes ventajas: durante su funcionamiento, sus corrientes de vacío presentan mayor simetría, lo que se traduce en un menor gasto energético; presentan menores pérdidas por dispersión de su flujo magnético, lo cual también repercute en el ahorro energético; y, trabajan mejor con cargas desbalanceadas. Sin embargo, estos transformadores todavía presentan problemas referidos a su complejidad de fabricación y a la falta de procedimientos que permitan ensamblarlos y desensamblarlos de forma eficiente, lo cual, posiblemente, ha evitado que se encuentren propuestas exitosas en el mercado. BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Se ha desarrollado un método para fabricar transformadores trifásicos del tipo con núcleo triangular y yugos en Y, con el beneficio que el método permite implementar una construcción modular de los transformadores. Dicha nplementación permite armar el núcleo de manera más sencilla y rápida que otros métodos del mismo campo tecnológico, asimismo, a diferencia de otros antecedentes, como los referidos a transfonnadores simétricos espacialmente tipo delta, la invención permite ta construcción de transformadores de mayor potencia eléctrica, que incluso podrían superar los 10000 kVA de capacidad de transmisión de energía eléctrica.

En ese sentido, la propuesta también es ventajosa en lo que se refiere a la elaboración de transformadores para fácil traslado, es decir, desde la fábrica al lugar de destino (esto resultaría difícil de la forma convencional), ya que sus módulos se pueden transportar por separado y luego su ensamble se realizaría en el punto de destino.

Otra ventaja es que el montaje y desmontaje para labores de reparación o mantenimiento resultaría más simple que en los transfonnadores trifásicos de núcleo triangular divulgados en otras patentes.

En un laboratorio se han realizado pruebas en prototipos de 600 VA de capacidad de transmisión de potencia, obteniéndose los resultados de la figura 15. En los resultados se observa que las corrientes de vacío difieren en menos de 3mA y que la potencia de vacío es 5.04W, es decir, es baja.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1. Conjunto de planchas ferromagnéticas de iguales dimensiones dispuestas unas sobre otras.

Figura 2. Partes del bloque armado con planchas ferromagnéticas y formando el ortoedro. Figura 3. Ubicación de los cortes transversales. Figura 4. Ubicación de los cortes oblicuos.

Figura 5. Selección de los grupos de planchas con forma de heptaedro y prisma trapezoidal. Figura 6. Medidas de las planchas rectangulares y sus cortes. Figura 7. Medidas de las planchas con distintas anchuras y sus cortes. Figura 8. Sección cuadrada y circular para cada realización del núcleo. Figura 9. Arreglo en Y de los yugos para cada realización del núcleo. Figura 10. Yugos en Y y prismas trapezoidales para formar un núcleo.

Figura 1 1. Vistas laterales de las columnas en "C".

Figura 12. Vista isométrica del núcleo implementado. Figura 13. Vista isométrica de parte del núcleo armado (izquierda) con el yugo en la tapa (derecha).

Figura 14. Vista isométrica del transformador implementado. Figura 5. Resultados de la prueba de vacío a tensión nominal, prototipo 600 VA. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

El método para la fabricación de transformadores trifásicos modulares de núcleo triangular con yugos en Y, consiste en los siguientes pasos:

• Apilar planchas ferromagnéticas rectangulares para formar un ortoedro (con planchas con las mismas dimensiones), o un cilindro (con planchas con distintas medidas de anchura).

• Realizar cortes transversales y oblicuos del ortoedro o cilindro, según sea el caso.

• Seleccionar los grupos de planchas que formen determinadas formas poliédricas.

· Empaquetar dichas formas poliédricas para formar bloques compactos.

» Montar dichos bloques para formar el núcleo del transformador. Las dimensiones del ortoedro o del cilindro dependen de las necesidades de transmisión de energía, asimismo, las ecuaciones básicas de electromagnetismo de Maxwell permiten hacer los cálculos correspondientes. A continuación, se presentará dos alternativas para la ejecución de la invención.

Pasos para realizar la invención a partir de planchas rectangulares (sección cuadrada)

El primer paso se lleva a cabo apilando planchas ferromagnéticas hasta formar un ortoedro. Las dimensiones del ortoedro dependen de la potencia eléctrica que se desee transmitir y se pueden calcular tomando como referencia las dimensiones típicas de los núcleos tipo E I, utilizados en la fabricación de los núcleos de transformador convencionales. De acuerdo a la invención, para un transformador de ancho y altura de A unidades, se requerirá que el ortoedro de sección cuadrada tenga un largo de 7.16A unidades, por ejemplo, para un transfonnador de 3kVA potencia de este tipo, le corresponde una sección de A = 60mm. El número de planchas a apilar depende del valor de A ya que se tiene que considerar el espesor de las mismas, que se encuentra entre 0.23 y 0.7mm. Al terminar de formar el ortoedro, este se asegura mecánicamente, de modo que una de sus caras con más área descanse sobre una superficie horizontal lisa.

El siguiente paso consiste en la ejecución de los cortes, siendo preferente la utilización del corte por hilo por electroerosión (EDM), o corte con esmeriladora. Dichos cortes son de dos tipos: transversales (perpendiculares) y oblicuos.

En total se realizan cuatro cortes transversales, perpendiculares a la cara superior (1) y a la cara inferior (2) del bloque de planchas; dos cortes en el lado izquierdo (9) del bloque de planchas y dos, en el lado derecho (10). Los cortes del lado izquierdo se realizan atravesando la cara superior (1 ) y la cara inferior (2) desde el centro de las aristas superior izquierda (5) e inferior izquierda (6). Un corte concluye dirigiendo el elemento de corte hacia la cara frontal (3) y el otro, hacia la cara posterior (4). Los cortes del lado derecho se realizan atravesando la cara superior (1 ) y la cara inferior (2) desde el centro de las aristas superior derecha (7) e inferior derecha (8). Un corte concluye dirigiendo el elemento de corte hacia la cara frontal (3) y el otro, hacia la cara posterior (4). Los cortes se realizan con un ángulo de apertura de 120° grados poicada lado del bloque. Los cortes oblicuos se realizan atravesando perpendicularmente la cara frontal (3) y posterior (4) con un ángulo de inclinación 45° cada uno. Se realizan dos cortes oblicuos, uno al lado izquierdo del bloque de planchas y el otro, al lado derecho. El corte oblicuo izquierdo presenta un extremo superior izquierdo (1 1 ) que, en el caso de los transformadores de sección cuadrada, estará distanciado 1.08A unidades de la arista superior izquierda (5); de un modo similar, el corte oblicuo derecho presenta un extremo superior derecho (12) que, en el caso de los transformadores de sección cuadrada, también estará distanciado 1 .08A unidades de la arista superior derecha (7). El siguiente paso consiste en la selección de los grupos de planchas que formen dos heptaedros (13) y un prisma trapezoidal (14), como estos bloques no son suficientes para formar el núcleo del transformador, es necesario volver a repetir los pasos de corte con dos bloques de planchas adicionales, con las mismas dimensiones que el primero. Posterior a esto, se obtienen seis grupos de planchas con forma de heptaedros y tres grupos de planchas con forma de prisma trapezoidal.

El siguiente paso consiste en el armado del núcleo, que se lleva a cabo con el armado individual de cada columna, utilizando un par de heptaedros (13) y un prisma trapezoidal (14), de modo que los lados laterales de dicho prisma trapezoidal (14) se unan con los lados laterales de cada heptaedro (13), formando una "C", esto también se repite para las otras dos columnas. Las tres columnas se unen, de modo que formen un solo cuerpo espaciado simétricamente, el siguiente paso es la ubicación de una base (17) y una tapa (18) en cada extremo del núcleo, luego se ubican las bobinas en cada columna y finalmente, se añaden elementos de sujeción axial (19) que sujetan la base (17) y la tapa (18) mediante tornillos u otros elementos de ajuste. Una segunda forma de armar el núcleo se lleva a cabo formando primero un yugo en la base (17) y un yugo en la tapa (18), colocar los prismas trapezoidales (14) encima de cada heptaedro (13) del yugo de la base (17), de modo que las caras laterales de cada heptaedro (13) coincidan con una de las caras de los prismas trapezoidales (14), lo siguiente consiste en ubicar las bobinas correspondientes en cada columna, luego se sobrepone el yugo de la tapa (18) y se añaden los elementos de sujeción axial (19) que sujetan la base (17) y la tapa (1 8) mediante tornillos u otros elementos de ajuste. Cabe señalar que cada heptaedro (13), puede presentar un corte transversal posterior, desde la cara superior hasta la cara inferior del mismo, de modo que, al formar los yugos en Y, la unión de tres heptaedros forma un espacio hueco ( 15) que permite el paso de un elemento de sujeción central (16). Del mismo modo, en la base ( 7) y la tapa (18) se encuentran orificios para ubicar los elementos de sujeción (16, 19) y también, se encuentran topes (20) para ajustar y sostener los yugos. Si no se realizan cortes transversales, los yugos pueden sujetarse a las tapas por otros medios mecánicos utilizando tres pernos colocados exteriormente.

Finalmente, la tapa (18) admite la inserción de elementos de agarre, como mangos, manubrios o ganchos.

Pasos para realizar la invención a partir de planchas con distintas medidas de anchura (sección circular) Para este caso las medidas referenciales de los cilindros son radio de 1.12 A unidades; y, largo de 6.36A unidades, además, se posicionan de modo que la superficie plana de una de sus planchas de los extremos descanse sobre una superficie horizontal lisa. Nuevamente, el número de planchas a apilar depende del valor de "A" ya que se tiene que considerar el espesor de las mismas, que se encuentra entre 0.23 y 0.7mm. Al terminar de formar el cilindro, este se asegura mecánicamente, de modo que la superficie plana de una de las planchas de los extremos, descanse sobre una superficie horizontal lisa.

Se realizan cuatro cortes transversales perpendiculares a las superficies planas de cada cilindro, dos cortes en el lado izquierdo y dos en el lado derecho, los cortes del lado izquierdo se realizan atravesando las superficies planas desde el extremo superior de la base izquierda y el extremo inferior de la base izquierda, un corte concluye dirigiendo el elemento de corte hacia el lado frontal del cilindro y el otro, hacia el lado posterior del cilindro, los cortes del lado derecho se realizan atravesando las superficies planas desde el extremo superior de la base derecha y el extremo inferior de la base derecha, un corte concluye dirigiendo el elemento de corte hacia el lado frontal del cilindro y el otro, hacia el lado posterior del cilindro, asimismo, dichos cortes se realizan con un ángulo de apertura de 120° grados por cada lado del cilindro. Se realizan dos cortes oblicuos que atraviesan perpendicularmente los bordes horizontales de las planchas, con un ángulo de inclinación 45° cada corte, un corte se realiza al lado izquierdo y el otro, al lado derecho, el corte oblicuo izquierdo presenta un extremo superior izquierdo que está distanciado a 0.68A unidades del extremo superior de la base izquierda; de un modo similar, el corte oblicuo derecho presenta un extremo superior derecho que está distanciado a 0.68A unidades del extremo superior de la base derecha; y, se seleccionan grupos de planchas ferromagnéticas que forman dos cilindros poliédricos y un cilindro truncado oblicuo por cada cilindro cortado, de modo que se obtienen seis piezas ferromagnéticas para ensamblar. El annado del núcleo se lleva a cabo con el armado individual de cada columna del transformador, utilizando un par de cilindros poliédricos y un cilindro truncado oblicuo, de modo que los lados laterales de dicho cilindro truncado oblicuo se unan con los lados laterales de cada cilindro poliédrico, formando una "C", asimismo, las tres columnas se unen, de modo que formen un solo cuerpo espaciado simétricamente, al que se le añade las bobinas del transformador en cada columna.

Una segunda forma de realizar la construcción de este tipo de transformador se obtiene armando el núcleo formando primero un yugo en la base (17) y un yugo en la tapa (18), colocar los cilindros truncados oblicuos encima de cada cilindro poliédrico del yugo de la base (17), de modo que las caras laterales de cada cilindro poliédrico coincidan con una de las caras de los cilindros truncados oblicuos, lo siguiente consiste en ubicar las bobinas correspondientes en cada columna, luego se sobrepone el yugo de la tapa (18) y se añaden el elemento de sujeción central (16) y los elementos de sujeción axial (19) que sujetan la base (17) y la tapa (18) mediante tornillos.

Como en el caso anterior, a cada cilindro poliédrico se le puede realizar un corte transversal posterior, atravesando perpendicularmente las superficies planas de ¡as planchas, de modo que, la unión de tres cilindros poliédricos forma un espacio hueco (15) para el ingreso de un medio de sujeción. Del mismo modo, en la base (17) y la tapa (18) se encuentran orificios para ubicar los elementos de sujeción (16, 19) y también, se encuentran topes (20) para ajustar y sostener los yugos. Si no se realizan cortes transversales, los yugos pueden sujetarse a las tapas por otros medios mecánicos utilizando tres pernos colocados exteriormente. inserción de elementos de agarre, como mangos, manubrios

Claims

REIVINDICACIONES

Un método para la fabricación de transformadores trifásicos de núcleo triangular, que comprende los siguientes pasos:

apilar planchas ferromagnéticas rectangulares con iguales dimensiones para formar tres ortoedros;

realizar cortes transversales y oblicuos a los ortoedros;

seleccionar grupos de planchas ferromagnéticas que formen determinadas formas poliédricas;

ensamblar las formas poliédricas para formar el núcleo del transformador;

ubicar las bobinas del transformador en las columnas del núcleo; y,

colocar medios de sujeción en el núcleo;

CARACTERIZADO PORQUE:

las medidas de los ortoedros son ancho y altura de A unidades; y, largo de 7.16A unidades, además, los ortoedros se posicionan de modo que la superficie plana de una de sus planchas de los extremos descanse sobre una superficie horizontal lisa;

se realizan cuatro cortes transversales perpendiculares a la cara superior (1 ) y a la cara inferior (2) de cada ortoedro, dos cortes en el lado izquierdo (9) y dos en el lado derecho (10), los cortes del lado izquierdo se realizan atravesando la cara superior ( 1 ) y la cara inferior (2) desde el centro de las aristas superior izquierda (5) e inferior izquierda (6), un corte concluye dirigiendo el elemento de corte hacia la cara frontal (3) y el otro, hacia la cara posterior (4), los cortes del lado derecho se realizan atravesando la cara superior (1) y la cara inferior (2) desde el centro de las aristas superior derecha (7) e inferior derecha (8), un corte concluye dirigiendo el elemento de corte hacia la cara frontal (3) y el otro, hacia la cara posterior (4), asimismo, dichos cortes se realizan con un ángulo de apertura de 120° grados por cada lado del ortoedro;

se realizan dos cortes oblicuos que atraviesan perpendicularmente la cara frontal (3) y posterior (4) de cada ortoedro, con un ángulo de inclinación 45° cada corte, un corte se realiza al lado izquierdo y el otro, al lado derecho, el corte oblicuo izquierdo presenta un extremo superior izquierdo (1 1) que está distanciado a 1.08A unidades de la arista superior izquierda (5); de un modo similar, el corte oblicuo derecho presenta un extremo superior derecho ( 12) que está distanciado 1.08A unidades de la arista superior derecha (7); y, se seleccionan grupos de planchas ferromagnéticas que forman dos heptaedros (13) y un prisma trapezoidal (14) por cada ortoedro cortado, de modo que se obtienen seis piezas ferromagnéticas para ensamblar.

El método para la fabricación de transformadores trifásicos de núcleo triangular, de acuerdo a la reivindicación 1, CARACTERIZADO PORQUE, el armado del núcleo se lleva a cabo con el armado individual de cada columna del transformador, utilizando un par de heptaedros (13) y un prisma trapezoidal (14), de modo que los lados laterales de dicho prisma trapezoidal (14) se unan con los lados laterales de cada heptaedro (13), formando una "C", asimismo, las tres columnas se unen, de modo que formen un solo cueipo espaciado simétricamente, al que se le añade las bobinas del transformador en cada columna.

El método para la fabricación de transformadores trifásicos de núcleo triangular, de acuerdo a la reivindicación l , CARACTERIZADO PORQUE, a cada heptaedro (13) se le realiza un corte transversal posterior, desde la cara superior hasta la cara inferior del mismo, de modo que, la unión de tres heptaedros forma un espacio hueco (15) para el ingreso de un medio de sujeción.

El método para la fabricación de transformadores trifásicos de núcleo triangular, de acuerdo a la reivindicación 1 y 3, CARACTERIZADO PORQUE, los medios de sujeción son un elemento de sujeción central (16), elementos de sujeción axial (19), una base (17), una tapa

(18) , topes (20) y tornillos; de modo que el elemento de sujeción central (16) se inserta en el espacio hueco (15) y se ajusta en la base (17) o la tapa (18); los elementos de sujeción axial

(19) se insertan en orificios presentes en la base ( 7) y la tapa (18);y, los topes (20) se ubican en la base ( 17) y la tapa (18) para ajustar y sostener a los yugos.

El método para la fabricación de transformadores trifásicos de núcleo triangular, de acuerdo a las reivindicaciones 1, 3 y 4, CARACTERIZADO PORQUE, el armado del núcleo del transformador se lleva a cabo formando primero un yugo en la base (17) y un yugo en la tapa (18), colocar los prismas trapezoidales (14) encima de cada heptaedro (13) del yugo de la base (17), de modo que las caras laterales de cada heptaedro (13) coincidan con una de las caras de los prismas trapezoidales (14), lo siguiente consiste en ubicar ¡as bobinas correspondientes en cada columna, luego se sobrepone el yugo de la tapa (18) y se añaden el elemento de sujeción central (16) y los elementos de sujeción axial (19) que sujetan la base (17) y la tapa (18) mediante tornillos.

6. Un método para la fabricación de transformadores trifásicos de núcleo triangular, que comprende los siguientes pasos:

apilar planchas ferromagnéticas rectangulares con diferentes dimensiones para formar tres cilindros;

realizar cortes transversales y oblicuos a los cilindros;

ensamblar las formas poliédricas para formar el núcleo del transformador;

ubicar las bobinas del transformador en las columnas del núcleo; y,

colocar medios de sujeción en el núcleo;

CARACTERIZADO PORQUE:

las medidas de los cilindros son radio de 1 .129A unidades; y, largo de 6.36A unidades, además. Los cilindros se posicionan de modo que la superficie plana de una de sus planchas de los extremos descanse sobre una superficie horizontal lisa;

se realizan cuatro cortes transversales perpendiculares a las superficies planas de cada cilindro, dos cortes en el lado izquierdo y dos en el lado derecho, los cortes del lado izquierdo se realizan atravesando las superficies planas desde el extremo superior de la base izquierda y el extremo inferior de la base izquierda, un corte concluye dirigiendo el elemento de corte hacia el lado frontal del cilindro y el otro, hacia el lado posterior del cilindro, los cortes del lado derecho se realizan atravesando las superficies planas desde el extremo superior de la base derecha y el extremo inferior de la base derecha, un corte concluye dirigiendo el elemento de corte hacia el lado frontal del cilindro y el otro, hacia el lado posterior del cilindro, asimismo, dichos cortes se realizan con un ángulo de apertura de 120° grados por cada lado del cilindro;

se realizan dos cortes oblicuos, en cada cilindro, que atraviesan perpendicularmente los bordes horizontales de las planchas, con un ángulo de inclinación 45° cada corte, un corte se realiza al lado izquierdo y el otro, al lado derecho, el corte oblicuo izquierdo presenta un extremo superior izquierdo que está distanciado a 0.68A unidades del extremo superior de la base izquierda; de un modo similar, el corte oblicuo derecho presenta un extremo superior derecho que está distanciado a 0.68A unidades del extremo superior de la base derecha; y, se seleccionan grupos de planchas ferromagnéticas que forman dos cilindros poliédricos y un cilindro truncado oblicuo por cada cilindro cortado, de modo que se obtienen seis piezas ferromagnéticas para ensamblar. 7. El método para la fabricación de transformadores trifásicos de núcleo triangular, de acuerdo a la reivindicación 6, CARACTERIZADO PORQUE, el armado del núcleo se lleva a cabo con el armado individual de cada columna del transformador, utilizando un par de cilindros poliédricos y un cilindro truncado oblicuo, de modo que los lados laterales de dicho cilindro truncado oblicuo se unan con los lados laterales de cada cilindro poliédrico, formando una "C", asimismo, las tres columnas se unen, de modo que formen un solo cuerpo espaciado simétricamente, al que se le añade las bobinas del transformador en cada columna.

8. El método para la fabricación de transformadores trifásicos de núcleo triangular, de acuerdo a la reivindicación 6, CARACTERIZADO PORQUE, a cada cilindro poliédrico se le realiza un corte transversal posterior, atravesando perpendicularmente las superficies planas de las planchas, de modo que, la unión de tres cilindros poliédricos forma un espacio hueco (15) para el ingreso de un medio de sujeción.

9. El método para la fabricación de transformadores trifásicos de núcleo triangular, de acuerdo a la reivindicación 6 y 8, CARACTERIZADO PORQUE, los medios de sujeción son un elemento de sujeción central (16), elementos de sujeción axial (19), una base (17), una tapa

(18) , topes (20) y tornillos; de modo que el elemento de sujeción central (16) se inserta en el espacio hueco ( 15) y se ajusta en la base (17) o la tapa (18); los elementos de sujeción axial

(19) se insertan en orificios presentes en la base (17) y la tapa (18); y, los topes (20) se ubican en la base (17) y la tapa (18) para ajustar y sostener a los yugos.

10. El método para la fabricación de transformadores trifásicos de núcleo triangular, de acuerdo a las reivindicaciones 6, 8 y 9, CARACTERIZADO PORQUE, el armado del núcleo del transformador se lleva a cabo formando primero un yugo en la base (17) y un yugo en la tapa (18), colocar los cilindros truncados oblicuos encima de cada cilindro poliédrico del yugo de la base (17), de modo que las caras laterales de cada cilindro poliédrico coincidan con una de las caras de los cilindros truncados oblicuos, lo siguiente consiste en ubicar las bobinas correspondientes en cada columna, luego se sobrepone el yugo de la tapa (18) y se añaden el elemento de sujeción central (16) y los elementos de sujeción axial (19) que sujetan la base (17) y la tapa (18) mediante tornillos.