Transformadores: generalidades (página 2)

TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCION

Son aquellos transformadores de voltajes más bajos, empleados en la distribucion de energía en lugares centricos. Los voltejes primarios mas comunes en estos transformadores son de 13.200 y 7.620 voltios.

TRANSFORMADORES DE BAJA POTENCIA

Son aquellos transformadores utilizados en la fabricacion de equipos electronicos, generalmente para reducir voltaje, como en televisores, amplificadores etc.

De acuerdo a su construccion, los transformadores se pueden dividir en dos grupos, a saber:

MONOFASICOS

Los que constan de un devanado primario y otro secundario.

TRIFASICOS

Los que tienen tres devenados en el primario y tres en el secundario. Estos devanados se interconectan, para obtener transformadores del tipo delta y estrella.

De acuerdo a su funcionamiento a su funcionemiento, los transformadores pueden ser:

ELEVADORES

Cuando el voltaje del secundario es mayor que el voltaje del primario.

REDUCTORES

Cuando el voltaje del secundario es menor que el voltaje del primario.

DE RELACION UNO A UNO

Cuando el voltaje secundario es igual al voltaje del primario. Estos transfoemadores se utilizan como aisladores para evitar posibles choques electricos.

FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA EN LOS DEVANADOS DEL TRANSFORMADOR

La fuerza electromotriz instantanea inducida en un vevanado de un transformador, se puede escribir como:

Puesto que el flujo en el núcleo del transformador ha de ser una onda senosoiddal.

e = N dØ,

dt

Ø = Ø max Sen wt y d Ø = w Ø max Cos wt

dt

Por lo tanto e = wN Ø max Cos wt

Debido a que la F.E.M instantanea es la ecuacion anterios se encontrara en su valor maximo cuando Cos wt=1, entonces:

Emax = 2IifN Ømax y E= Emax= 4,44 F Nømax

De acuerdo con lo anterior, la F.E.M inducida en el devanado de un transformador es proporcional a tres factores; flujo, frecuencia y numero de espiras. La ecuacion completa de la F.E.M, suponiendo onda senosoidal de flujo en unidades electromagnéticas del sistema C.G.S, es:

E= 4,44 F N Ømax 10-8 voltios (1)

Donde: F es la frecuencia en Hz

N: numero de espiras

Ømax: es el valor maximo del flujo, expresado en maxwells.

10-8 : factor de conversion en unidades.

El valor del Ømax depende del tipo del núcleo utilizado, y puede calcularse por la formula:

Ømax = B*S

En donde, B es la densidad maxima del flujo en lineas sobre centimetroas cuadrados:

Lineas/cm2

Existen tablas para calcular el valor de la densidad de flujo deacuerdo al tipo de núcleo utilizado, pero por lo general, un valor promedio de la densidad de flujo es de:

10.000 lineas/cm2

S es el area de la seccion transversal del núcleo en centímetros cuadrados. Se considera la seccion o brazo donde va colocado el devanado.

Reemplazando en la ecuacion (1) los valores de la ecuacion (2), la formula se puede escribir asi:

E= 4,44 FNB.S.10-8 voltios

RELACION ENTRE LAS F.E.M INDUCIDAS EN LOS DEVANADOS Y EL NÚMERO DE ESPIRAS

La F.E.M inducida en el devanado primario de un transformador, tiene como expresion:

E1 = 4,44 N1 Ømax 10-8 voltios. Para el devanado secundario seria:

E2 = 4,44 N2 Ømax 10-8 voltios.

Dividiendo entre si, ambas ecuaciones, se obtiene:

E1 = 4,44 N1Ømax 10-8: Al simplificar se obtiene:

E2 = 4,44 N2Ømax 10-8

E1 = N1

E2 N2

En donde:

E1: Es el voltaje aplicado al primario

E2 : Es el voltaje del secundario

De la ecuación (4) se deduce que las F.E.M de los devanados primario y secundario, son directamente proporcionales a las espiras respectivas de los devanados. Esto se debe a que el mismo flujo atraviesa cada una de las bobinas, e induce la misma F.E.M por espira en cada devanado

RELACION ENTRE LAS CORRIENTES DE LOS DEVANADOS Y LAS ESPIRAS CORRESPONDIENTES

El flujo que se produce a travez del núcleo del transformador, permanece substancialmente obstante sobre el margen de trabajo del transformador, variando solamente en una pequeña cantidad necesaria para permitir que la corriente primaria se ajuste a la carga del secundario, si el flujo no varia, el número de amperios de vueltas netos que actúan sobre el núcleo tampoco varia. Si la corriente sin carga del secundario. Si la corriente sin carga se desperdicia en comparaciones con la corriente primaria total, los amperios vueltas primarias y secundarias son iguales, o sea:

N1 I1 = N2 I2 por lo tanto I1 = N2

I2 N1

en la ecuación (5)

I1 es la corriente del primario

I2 es la corriente del secundario

N1 y N2 son las espiras de los devanados primario y secundario respectivamente

Comparando las ecuaciones (4) y (5) se deduce además que:

I1 = E2 = N2

I2 E1 N1

PERDIDAS QUE SE PRODUCEN EN LOS TRANSFORMADORES

En los transformadores se representan pedidas de potencia de varias clases, a saber:

PÉRDIDAS EN EL NÚCLEO

1. Pérdidas por corrientes parasitas o de Foucault
2. Perdidas por histéresis

PÉRDIDAS EN EL COBRE

1. En el devanado primario
2. En el devanado secundario

Las perdidas por corrientes parásitas se deben a que el flujo alterno, además de inducir una F.E.M en los devanados del transformador, induce también en el núcleo de acero una F.E.M, la que produce una circulación de pequeñas corrientes que actúan cobre una superficie del núcleo y producen calentamiento del mismo. Si el núcleo fuese de acero macizo, las corrientes de foucault producidas originarían perdidas intolerables. Por este motivo. Los núcleos de los transformadores se construyen en láminas delgadas de acero, al silicio que ofrece gran resistencia a las corrientes parásitas, inducidas en el núcleo. Las laminaciones son destempladas en un horno eléctrico y son recubiertas por una delgada capa de barniz que aumenta la resistencia a las corrientes parásitas.

Las pedidas por histeresis debido a que el flujo magnético se invierte varias veces por segundo, según la frecuencia produciendo así perdidas de potencia debido a la fricción de millones de moléculas que cambian de orientación varias veces.

Las perdidas en el cobre o en los bobinados del transformador, se deben a la disipación de calor que se producen en los devanados. Estas perdidas son proporcionales a las resistencias de cada bobinado, y a través de la corriente que circula en ellos. Las pérdidas en el cobre se pueden calcular por las siguientes formulas:

Perdidas en el devanado primario = I12 R1 vatios

I1 corriente en el devanado primario

R1 resistencia efectiva del devanado primario

Perdidas en el devanado secundario = I22 R2 vatios

I22 y R2 corriente y resistencia efectiva del devanado secundario.

Las perdidas totales en el cobre serán entonces:

PT = I22 R1 + I22 R2 vatios

METODO PARA MEDIR LAS PÉRDIDAS EN EL NÚCLEO DE UN TRANSFORMADOR

Las perdidas de potencia, en vatios, en el núcleo de un transformador se pueden determinar fácilmente, leyendo la entrada en vatios por medio de un vatímetro cuando el secundario ha quedado abierto.

También se podría calcular la potencia por medio de un voltímetro y un amperímetro

La lectura del vatímetro se considera como perdidas en el núcleo, debido a que la corriente de excitación es muy baja.

Las perdidas sin carga, en el núcleo del transformador, son pequeñas y , por lo tanto, deben comprobarse los errores de los instrumentos.

Es conveniente controlar la tensión aplicada al bobinado del transformador aplicada al bobinado del transformador, por ejemplo usando un autotranformador variando la tensión desde cero hasta el valor de la tensión nominal.

METODO PARA DETERMINAR LAS PERDIDAS EN EL COBRE

Se aplica a cada devanado un voltaje de corriente continua de valor bajo, por ejemplo 120 Voltios, se mide la corriente y el voltaje del devanado en cuestión, se aplica la ley de Ohm y se obtiene la resistencia efectiva en C.C, se multiplica por 1.1 para obtener la resistencia efectiva a la C.A.

El grupo de resistencias se utiliza para limitar la corriente en los devanados a n valor seguro.

El voltímetro se debe desconectar antes de cortar la corriente en los circuitos, por que los devanados tienen mucha autoinducción y se puede dañar el instrumento.

ESCAPE DE FLUJO O FLUJO DISPERSO

Todo el flujo producido por el primario no atraviesa el secundario, sino que completa en parte su circuito magnético, pasando a través del aire mas bien que por el núcleo.

El Ø1 induce una F.E.M. en el primario, la cual es una fuerza electromotriz que tiende a impedir el flujo de corriente en el primario, es proporcional a la corriente y a la frecuencia, y se retrasa de la corriente en 900.

Por esto, una F.E.M de reactancia y produce una caída de reactancia I1 X1 en el primario. X1 se denomina reactancia de perdidas del primario. Fácilmente se ve que una parte de la tensión fija del primario se utiliza para suplir esta caída de reactancia, lo que a su vez reduce le F.C.E.M., y por consiguiente el flujo y, ello produce una disminución en la F.E.M inducida en el secundario.

TIPOS DE NÚCLEOS DE TRANSFORMADORES

De acuerdo con el tipo de transformador que se desee construir, se puede también escoger el tipo de núcleo mas apropiado. En la actualidad los núcleos mas utilizados son:

NÚCLEO DEL TIPO DE COLUMNAS O CERRADO

Este núcleo esta formado por laminas en forma de "U" y laminas en forma de "I" las cuales tienen un espesor de 0.35 mm. Cuando se hace al armado completo del paquete de laminas, estas se colocan alternadas y sucesivas, con el fin de evitar las perdidas por reluctancia.

NÚCLEO DE TIPO ACORAZADO O BLINDADO

Este núcleo esta formado por laminas en forma de "E" y laminas en forma de "I" .El ancho de la sección central del núcleo, es el doble de las secciones laterales, y sobre esta sección se deben colocar los devanados unos sobre otros, para formar un solo conjuntos. En la construcción del núcleo, las láminas se deben colocar alternadas para evitar que las juntas coincidan.

NÚCLEO TIPO "H" O DISTRIBUIDO

La General Electric ha perfeccionado una forma especial de transformador tipo "H", que usa un núcleo enrollado que consiste en una larga tira de hierro al silicio, devanado como una hélice apretada alrededor de los devanados aislados.

NÚCLEO TIPO ESPIRAKORE

En estos tipos de núcleos, se aprovecha la ventaja de ser tan bajas en pérdidas cuando la dirección del flujo coinciden con las del grano. Los núcleos de este se forman de tiras largas de metal enrollado sobre las bobinas.

METODO PARA DETERMINAR LA POLARIDAD DE UN TRANSFORMADOR

Las terminales de un transformador están normalmente marcadas con etiquetas o letrero, que llevan H1, H2, X1 y X2, etc. Sin embargo, las marcas pueden perderse o desfigurarse, de manera que es imposible identificar las diferentes terminales. Por lo tanto, se ha elaborado un procedimiento estándar de prueba para determinar la polaridad del transformador.

POLARIDAD O SECUENCIA DE FASES

PRUEBA DE POLARIDAD

Estos los transformadores monofasicos, además de identificar una terminal de alta tensión con una de baja tensión que tengan misma polaridad, la posición relativa de estas terminales en el arreglo global se identifica con la siguiente nomenclatura.

REGLA DE APLICACION

Cuando el observador se para frente a los dos terminales de una tensión si H1 queda a su izquierda y X1 a su derecha se dice que el transformador tiene polaridad aditiva y si H1 y X1 queda a su izquierda se dice que tiene polaridad substractiva (H1 y X1 son terminales de misma polaridad).

Para verificar la polaridad de los transformadores se recomiendan dos métodos:

• Método de transformador patrón
• Método de dos voltímetros

METODO DEL TRANSFORMADOR PATRON

Para este método se dispone de un transformador cuya relación de transformación sea conocida, y por comparación, se obtiene la relación del transformador en prueba

METODO DE DOS VOLTIMETROS

Consiste en aplicar al devanado de alta tensión un voltaje alterno de valor nominal o menor. El observador, colocado frente a los terminales de baja tensión, debe puentear previamente los terminales de su izquierda, y colocar dos voltímetros, uno entre las terminales de su derecha.

Si convenimos que el voltímetro colocado en alta tensión da una lectura VH el voltímetro colocado entre alta y baja tensión da la suma algebraica de voltajes S V1 entonces:

Si S V > VH La polaridad es aditiva

Si S V < VH La polaridad es substractiva

IMPORTANCIA DE LA POLARIDAD EN LOS TRANSFORMADORES CONECTADOS EN PARALELO

Cuando los transformadores monofasicos tienen igual polaridad, ambos aditivos o substractivos, se pueden conectando los transformadores de esta manera, ambos proporcionan corrientes secundarias a la carga en proporcionan corrientes secundarias a la carga en proporción a sus capacidades en KVA, y se evitaran problemas de acoplamiento, como corto circuitos, etc.

Relación de Transformación

Se define como relación de transformación, la relación entre el voltaje del primario y el voltaje del secundario, o sea:

E1= relación de transformación

E2

CONEXIÓN DE UN TRANSFORMADOR EN PARALELO

En la práctica de utilización de transformadores, se presenta muchas veces la oportunidad de conectar 2 o más en paralelo, por que uno solo no es suficiente para suministrar toda la energía del circuito de carga. El problema de conexión en paralelo no difieren, en esencia, del que corresponde a otro tipo de generadores eléctricos, como son lo dinamos.

Los requisito más importantes en este sistema de conexión se enumeran a continuación:

1. Los transformadores deben ser de igual voltaje primario y secundario. Si los transformadores son para voltajes diferentes, el transformador de mayor tensión, produce una corriente de circulación, lo que ocasiona caídas de tensión internas en los devanados de este transformador.
2. Deben tener igual porcentaje de impedancia.
3. Debe tenerse mucho cuidado con la polaridad de los transformadores.
4. Los transformadores deben ser de igual potencia. Si lo transformadores a conectar son de distinta potencia, sus impedancias internas deben estar en razón inversa con las corrientes que ceden a la carga.

TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCION

Un tipo de transformador monofasico que se ha impuesto en nuestro medio, es el transformador de distribución. Se le utiliza para las acometidas residenciales y las de tipo residencial. Se construyen de potencias que van desde 100 KVA, de acuerdo con las demandas de energía.

EL SISTEMA MONOFASICO DE TRES CONDUCTORES

Prácticamente todas las instalaciones para consumidores residenciales y comerciales, requieren un servicio monofasico de tres conductores.

El uso de este sistema tiene varias ventajas a saber:

1. Con el se dispone de dos voltajes diferentes, 120 voltios para alumbrado y aparatos pequeños, y 240 voltios para aparatos de mayor consumo.
2. Puesto que se dispone de 240 voltios entre los conductores exteriores, la corriente de consumo para una carga daba en kilovatios, puede reducirse prácticamente a la mitad
3. Solo es necesario usar los 3/8 del cobre en un sistema monofasico de tres líneas, en comparación con el que se necesita en un sistema de dos alambres.

TRANSFORMADORES DE MEDIDA

Estos transformadores no están construidos para soportar altas tensiones, por tanto deben estar aisladas de las altas tensiones.

Hay dos tipos de transformadores de medida;

• Transformadores de tensión

• Transformadores de corriente

TRANSFORMADORES DE TENSION

Los transformadores de tensión se usan para rebajar altas tensiones de los sistemas eléctricos, con fines de medida se usan para alimentar bobinas vatimetricas

• Los transformadores de tensión siempre van a tener una tensión nominal de 100 voltios.

• Tienen relación de transformación extremadamente precisa con un porcentaje de error del 0.5%

• Trabaja sobre un reducido campo de medidas.

• Proporcionalidad de la tensión del secundario con respecto al primario.

• Los flujos de dispersión son muy pequeños.

• Las corrientes secundarias son muy pequeñas

• Las corrientes en vacío son muy pequeñas

NOTA

No se debe nunca cortocircuitar el secundario de un transformador de tensión por que las corrientes de cortocircuito son muy elevadas por lo tanto produce un calentamiento excesivo.

Las características de los transformadores de tensión son:

1. Tensión nominal
2. Capacidad de sobrecarga
3. Tensión nominal de asistencia

TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

Los transformadores de corriente se usan para evitar conectar los amperímetros y bobinas de otros instrumentos directamente a las líneas de alta tensión, estos transformadores disminuyen la corriente a unas medidas conocidas así:

100/5, 150/5, 300/5, 600/5

• Los transformadores de corriente tienen devanados primarios y secundarios separados y proyectados de tal manera que su devanado primario quede en serie con uno de los conductores de la línea.

• Las corrientes nominales primarias están normalizadas entre 5/6000 Amperios.

• La corriente nominal secundaria es casi siempre 5 Amperios.

• Soporta temperaturas excesivas y esfuerzos electrodinamicos que pueden aparecer debido a sobre tensiones.

NOTA

El secundario de este transformador debe estar permanentemente en corto circuito. Si se interrumpe el circuito secundario se interrumpe la fuerza magnetomotriz.

AUTOTRANSFORMADORES

Los autotransformadores se diferencian de otros transformadores por él echo de que los arrollamientos primario secundario, en lugar de estar aislados, estan unido en serie.

Aunque no lleva mas de un bobinado Estonia tan bien basados en el mismo principio:

La relación de transformación en vacío, es igual al número de espiras secundarias/primarias. Pero una parte de las espiras sirven para los dos arrollamientos, las corrientes primarias y secundarias Estonia en oposición y la corriente que circula por las espiras comunes es igual a la diferencia de corriente de baja y alta tensión.

Para que la tensiones se unan los dos bobinados deben tener el mismo sentido bobinado.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Los autotransformadores no tienen devanados primario y secundario separados, aislados eléctricamente entre si como un transformador convencional. Por el contrario, los devanados primario y secundario forman un devanado continuo. Usualmente se sacan derivaciones en un punto determinado de este único devanado para obtener voltajes de valores deseados. El devanado único se arrolla sobre un núcleo de hierro al silicio por tanto, las secciones primarias y secundarias de este devanado Estonia en el mismo circuito magnético del autotransformador.

TRANSFORMADORES TRIFASICOS

El transformador trifásico resulta siempre de la Yuxtaposición de los circuitos magnéticos de tres transformadores monofasicos aprovechando la composición de flujos en una u otra parte de dichos circuitos magnéticos, para conseguir una reducción de sus dimensiones. Por lo tanto, se debe considerar el acoplamiento para lo cual se emplean diversas disposiciones de los núcleos; las más utilizadas son las siguientes:

• Transformador de columnas con culata de estrella.

• Transformador de columnas con culatas en triángulo.

• Transformador de dobles columnas.

• Transformador acorazado con núcleo de estrella.

• Transformador acorazado de núcleo común.

• Transformador de cinco columnas.

DISPOSICION DE LAS BOBINAS DE UN TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

En total son seis bobinas tres para el primario y tres para el secundario. Las bobinas del primario se conectan entre si para formar un sistema de conexión que pueda ser en DELTA, ESTRELLA, etc. Lo mismo se hace con las bobinas del secundario.

Este sistema de transformacion nos muestra una transformacion trifasica por medio de transformadores monofasicos por los que los circuitos magnéticos son independientes entre si no produciendose ninguna interferencia o interaccion por entre los flujos magnéticos producidos.

DESIGNACION DE LOS BORNES DE LOS TRANSFORMADORES TRIFASICOS

Mirando el transformador desde la parte de alta tensión, los bornes de baja tensión, se designan de izquierda a derecha con letras minúsculas así:

n – a – b – c

N = neutro

Los bornes de alta tensión se designan de izquierda a derecha con letras mayúsculas así:

N – A– B – C

N= neutro

CONEXIÓN DE LOS TRANSFORMADORES TRIFASICOS

CONEXIÓN ESTRELLA ESTRELLA

Para conseguir una conexión estrella estrella, los finales de cada bobina se deben unir.

POTENCIA EN UN SISTEMA EQUILIBRADO

Potencia en un sistema equilibrado P= EF * IF * Cos Ø * 3

CONEXIÓN DELTA DELTA

CONEXIÓN DELTA ABIERTO O EN V

Cuando se dispone de un banco de tres (3) transformadores acoplados en un sistema trifasico, se puked obtener una transformacion trifasica usando dos tranformadores con una conexión delta abierta o V.

Este tipo de conexión se usa con frecuencia en emergencias cuiando uno de los tranformadores del banco conectados en delta sufre algun tipo de daño considerable

CONEXIÓN ZIG – ZAG

Se utiliza solamente para baja tensión. En esta conexión cada uno de los arrollamientos del secundario esta dividido en dos partes que se combinan sobre dos columnas diferentes del transformador la conexión ZIG – ZAG es la siguiente:

Con inversión de las entradas y salidas al pasar de una columna a otra, siguiendo un orden de permutación circular de núcleos.

INDICE HORARIO

Es el desfase entre el primario y el secundario, que siempre será múltiplo de 30, y se identifica con el ángulo formado por la aguja minutera de un reloj, cuando marca la hora exacta: por lo tanto, se puede caracterizar el ángulo de desface por la hora indicada. Para ello se ha convenido en lo siguiente:

• Superponer el vector de la fuerza electromotriz primaria E1, con la aguja minutera colocada sobre la división cero.

• Superponer el vector de la fuerza electromotriz secundaria E2 con la aguja horaria: El índice horario depende, evidentemente, no solamente de las formas de conexión en el primario y el secundario, sino también de los sentidos relativos del arrollamiento de los devanados primario y secundario de la misma columna.

ACOPLAMIENTO DE LOS TRANSFORMADORES TRIFASICOS

El acoplamiento de transformadores en paralelo, solamente es posible si se cumplen ciertas condiciones previas, de las cuales unas pertenecen a las características generales de las líneas que han de conectarse, y otras a las características de funcionamiento de los transformadores que deben acoplarse.

Estas condiciones son las siguientes:

1. Igual frecuencia de redes a acoplar
2. Los desfases secundarios respecto al primario, deben ser iguales
3. El mismo sentido de rotación de las fases secundarias
4. Iguales relaciones de transformación en vacío referidas a las tensiones de línea
5. Iguales tensiones porcentuales de corto circuito
6. Relación de potencias nominales de los transformadores destinados a trabajar en paralelo no debe ser mayor

Autor:

WULKAN