Un transformador LCI es un transformador de potencia diseñado específicamente para servir a sistemas de accionamiento de inversor de carga conmutada (LCI) y otros convertidores grandes basados ​​en tiristores. Este artículo explica qué hace un transformador LCI, por qué su diseño difiere de un transformador de potencia estándar, cómo seleccionar uno, consideraciones de instalación y prueba, y ejemplos de aplicaciones del mundo real.

Definición y función de un transformador LCI

Un transformador LCI proporciona la fuente de voltaje de CA y la interfaz eléctrica entre la red de suministro y un inversor de carga conmutada. Aísla el convertidor de la red, adapta los voltajes a los requisitos del convertidor, suministra las relaciones de fase requeridas (incluido el cambio de fase opcional) y proporciona una reactancia de fuga controlada para ayudar con la conmutación y el comportamiento armónico.

Cómo los variadores LCI utilizan el transformador

Los inversores de carga conmutada son convertidores de tiristores con conmutación de línea que dependen de la forma de onda de voltaje del sistema de CA para la conmutación. El transformador LCI soporta el convertidor mediante:

• Proporciona voltajes correctos entre fases y múltiples devanados secundarios para puentes convertidores separados o suministros auxiliares.
• Presentamos una reactancia de fuga diseñada que limita las corrientes de cortocircuito y mejora los márgenes de conmutación de los tiristores.
• Crear cambios de fase (a través de delta/estrella o devanados de cambio de fase dedicados) para reducir componentes armónicos específicos inyectados en la red.
• Proporcionar aislamiento galvánico y disposiciones de puesta a tierra necesarias para el funcionamiento seguro del convertidor y los sistemas de protección.

Características clave de diseño de un transformador LCI

Los transformadores LCI se diferencian de los transformadores de distribución de uso general en varios aspectos importantes; estas diferencias están impulsadas por las demandas eléctricas del convertidor y la necesidad de controlar los armónicos, las irrupciones y las corrientes de falla.

Configuración de devanados y cambio de fase.

Las configuraciones típicas incluyen Y/Δ, Δ/Y o disposiciones de devanados múltiples que permiten que el convertidor sea alimentado por uno o más voltajes secundarios. Los devanados desfasados ​​(por ejemplo, ±15°, ±30°) a menudo se implementan para permitir la cancelación de armónicos entre puentes paralelos o para reducir la magnitud de ciertos armónicos triples y no triples.

Control de impedancia y reactancia de fuga

Los fabricantes diseñan impedancias de cortocircuito específicas (expresadas como % de impedancia o reactancia) para limitar las corrientes de falla y proporcionar la impedancia de conmutación necesaria para las puertas de tiristores. Una impedancia demasiado baja corre el riesgo de corrientes de falla excesivas y una mala conmutación; Una impedancia demasiado alta aumenta la caída de voltaje y el calentamiento.

Refrigeración, aislamiento y diseño térmico.

Debido a que los convertidores producen importantes armónicos y corrientes no sinusoidales, los transformadores LCI a menudo enfrentan elevadas pérdidas parásitas y parásitas. Por lo tanto, los diseños utilizan sistemas de enfriamiento mejorados (ONAN, ONAF o aceite/aire forzado), laminaciones del núcleo de mayor calidad y sistemas de aislamiento clasificados para dV/dt y tensiones máximas más altas.

Selección de un transformador LCI: lista de verificación práctica

Utilice la siguiente lista de verificación para asegurarse de que el transformador que especifique se ajuste a los requisitos del convertidor y del sitio.

• Potencia nominal (kVA) con margen para sobrecargas del convertidor y pérdidas reactivas.
• Tensiones nominales primarias y secundarias y rango requerido del cambiador de tomas para la regulación de tensión.
• Impedancia de cortocircuito especificada para optimizar la conmutación y limitar las corrientes de falla.
• Opciones de configuración de devanados y cambio de fase para mitigación de armónicos entre puentes convertidores.
• Método de enfriamiento (ONAN/ONAF/OFWF) adaptado a las pérdidas continuas esperadas y a las condiciones ambientales.
• Clase de aislamiento, capacidad de resistencia a sobretensiones y tolerancia dV/dt apropiada para transitorios de conmutación de tiristores.
• Devanados auxiliares para circuitos de control, suministro de CC (si es necesario) y esquemas de conexión a tierra.
• Filtros de armónicos o integración de reactor si es necesario para cumplir con los límites del código de red.

Tabla de especificaciones técnicas típicas

Comprobaciones de instalación y precomisionado.

La instalación y puesta en servicio adecuadas minimizan las fallas tempranas. Los pasos clave incluyen pruebas de aceite y aislamiento, pruebas de relación y resistencia del devanado, verificaciones de tierra y neutro, verificación del funcionamiento del cambiador de tomas y verificaciones de coordinación con la protección del convertidor.

• Prueba de polaridad y relación de transformación del transformador para confirmar las relaciones de fase correctas para el convertidor.
• Pruebas dieléctricas (factor de potencia, resistencia de aislamiento y pruebas de voltaje aplicado) para validar la integridad del aislamiento.
• Medición de impedancia de cortocircuito y verificación frente a valores de diseño.
• Comprobaciones mecánicas para un montaje adecuado, ventiladores/bombas de refrigeración y enrutamiento de conductos para el cableado del convertidor.

Problemas comunes de mantenimiento y solución de problemas

Debido a que los convertidores inyectan armónicos y pueden crear compensaciones de CC, los transformadores LCI muestran un conjunto distinto de problemas. El monitoreo regular y el mantenimiento preventivo reducen el tiempo de inactividad no programado.

• Sobrecalentamiento debido a pérdidas parásitas inducidas por armónicos: controle la temperatura del aceite y el aumento de la superficie del aceite.
• Envejecimiento acelerado del aislamiento debido a dV/dt repetitivos y voltajes pico altos: realice un seguimiento del análisis de gases disueltos (DGA) y la resistencia del aislamiento.
• Vibración y ruido mecánico debido a la magnetoestricción a frecuencias armónicas: verifique la sujeción del núcleo y las juntas magnéticas.
• Cambios de conexión a tierra o neutro cuando los dispositivos de bloqueo o control del convertidor no funcionan correctamente; verifique las conexiones de conexión a tierra y los reactores neutros, si están instalados.

Transformador LCI versus transformadores convertidores PWM

Los convertidores de modulación de ancho de pulso (PWM) tienen diferentes espectros armónicos y características de conmutación en comparación con los LCI. Los transformadores utilizados con inversores PWM tienden a enfatizar la inmunidad dV/dt, una menor reactancia de fuga para una respuesta dinámica y una integración de filtro diferente. Los transformadores LCI, por el contrario, priorizan la impedancia de conmutación controlada y los devanados de cambio de fase para la cancelación de armónicos.

Aplicaciones típicas y ejemplos de casos.

Los sistemas de transformadores LCI se utilizan ampliamente cuando se eligen convertidores de tiristores robustos y de alta potencia para accionamientos de motores síncronos grandes o enlaces ligeros/medios HVDC. Industrias comunes:

• Laminadores de acero y procesamiento de metales pesados donde los grandes motores síncronos requieren un par constante y convertidores simples y resistentes.
• Sistemas de propulsión para barcos y grandes propulsores marinos donde la fiabilidad y la robustez son primordiales.
• Grandes bombas y compresores para tratamiento de agua y petróleo y gas, donde los accionamientos de alta potencia con conmutación de línea son rentables.

Recomendaciones finales para ingenieros y especificadores.

Al especificar un transformador LCI, coordine con antelación con el proveedor del convertidor para obtener las formas de onda de corriente del convertidor, los armónicos, las compensaciones de CC esperadas y los ajustes de protección. Solicite datos del fabricante para estimaciones de pérdidas parásitas y clasificaciones térmicas bajo carga no sinusoidal. Incluya filtrado de armónicos y disposiciones de neutro/reactor en el alcance eléctrico para garantizar el cumplimiento de los códigos de red y la confiabilidad del transformador a largo plazo.

Si lo desea, proporcione la corriente nominal del convertidor, los voltajes nominales, el esquema de cambio de fase deseado y las condiciones ambientales; con esos detalles se puede redactar una especificación detallada del transformador (kVA, impedancia, enfriamiento, disposición de los devanados y clase de aislamiento).