Transformadores de potencia

INTRODUCCION

El uso de los transformadores en el campo doméstico como en el industrial, cobra gran importancia ya que con ellos podemos cambiar la amplitud del voltaje, aumentándola para ser más económica la transmisión y luego disminuyéndola para una operación más segura en los equipos.

La mayor parte de los radios contienen uno o más transformadores, así como los receptores de televisión, los equipos de alta fidelidad, algunos teléfonos, automóviles y en fin una gran variedad de artículos que para su funcionamiento es de vital importancia que posea un transformador.

Por tanto se hace necesario analizar detalladamente los fenómenos que ocurren con los cambios de polaridad en las bobinas de un transformador observando su comportamiento al sumarle o restarle voltaje a las bobinas de acuerdo a sus conexiones.

De manera similar la regulación de voltaje en el transformador se hace importante ya que con ella detallaremos las respuestas del transformador a diferentes cargas puestas en el.

EL TRANSFORMADOR

El transformador es un dispositivo eléctrico estático que transfiere energía de un circuito a otro, del cual esta aislado eléctricamente, pero unido magnéticamente por un núcleo de acero laminado. Esta transferencia se hace sin cambio de frecuencia y la mayoría de las veces con cambio de voltaje y de corriente. El circuito que recibe la energía del exterior o de la red se llama PRIMARIO y el que la entrega una vez ya transformada por efecto de inducción magnética se llama SECUNDARIO. El primario o el secundario pueden ser indistintamente el lado de alta tensión o el lado de bajo tensión.

La capacidad del aparato se mide en KVA.

Las pérdidas en el aparato están dadas por el porcentaje de impedancia, dato que debe proporcionar el fabricante.

 Entonces: Vl * Il = V2 * I2 + Pérdidas.

 Las pérdidas son muy pequeñas y pueden despreciarse,

Entonces: Vl * Il = V2 * I2

 Por lo tanto (V1/V2) = (I2/Il)

Por ser una máquina estática, no tiene pérdidas mecánicas, sus pérdidas son únicamente eléctricas y pérdidas en el hierro. Por tal razón su rendimiento es extremadamente alto comparado con las máquinas eléctricas rotativas. Los transformadores pueden dividirse en tres clases: Transformadores para Instrumentos, Transformadores de Corriente Constante y Transformadores de Potencial Constante. Los transformadores de potencial constante se usan para sistemas de fuerza y alumbrado generalmente se dividen en dos grupos: Transformadores de Distribución y Transformadores de Potencia o de Fuerza.

PARTES DEL TRANSFORMADOR

Un transformador consta de numerosas partes, las principales son las siguientes:

 a) Núcleo magnético.

b) Devanados, primario, secundario, terciario, etc

a) El núcleo constituye el circuito magnético que transfiere energía de un circuito a otro. Y su función principal es la de conducir el flujo activo. Está sujeto por el herraje o bastidor, se construye de laminaciones de acero al silicio (4%) y sus, gruesos son del orden de 0.0014 de pulgada (0.355mm) con un aislante de 0.001 de pulgada (0.0254mm).

 b) Los devanados constituyen los circuitos de alimentación y carga, pueden ser de una, dos o tres fases y, por la corriente y numero de espiras, pueden ser de alambre delgado o de barra. La función principal de los devanados es crear un campo magnético (primario) con una perdida de energía muy pequeña y utilizar el flujo para inducir una fuerza electromotriz (secundario).

 Las Partes auxiliares son:

 A) Tanque, recipiente o cubierta.

B) Boquillas terminales.

C) Medio refrigerante.

D) Conmutadores auxiliares.

E) Indicadores.

A) El tanque o recipiente es un elemento indispensable en aquellos transformadores cuyo medio de refrigeración no es el aire, sin embargo, puede prescindirse de él en casos especiales. Su función es la de radiar el calor producido en el transformador.

B) La boquilla permite el paso de la corriente a través del transformador evita que haya un escape indebido de corriente y con la protección contra flameo.

 C) El medio refrigerante debe ser un buen conductor del calor, puede ser liquido (como la mayoría de transformadores de gran potencia) sólido, o semisólido.

D) Los conmutadores, cambiadores de derivaciones o taps, son órganos destinados a cambiar la relación de voltajes de entrada y salida, con objeto de regular el potencial de un sistema o la transferencia de energía activa o reactiva entre los sistemas interconectados. Existen dos tipos de ellos: El Sencillo, de cambio sin carga, y el perfeccionado, de cambio con carga por medio de señal, o automático.

E) Los indicadores son aparatos que nos señalan el estado del transformador. Por ejemplo marcan el nivel del líquido, la temperatura, la presión, etc.

De acuerdo con su construcción a seguir los transformadores se distinguen de dos tipos que son: Tipo Columna y Tipo Shell o Acorazado.

El tipo shell son aquellos cuyo núcleo va colocado envolviendo las bobinas o devanados. Este tipo se conocen como de circuito magnético envolvente.

MEDIOS REFRIGERANTES DE LOS TRANSFORMADORES

Todo transformador necesita de un medio refrigerante siendo los principales el aire, el aceite y algunos líquidos inertes.

 Por el tipo de enfriamiento pueden ser:

Clase AA. Tipo Seco, no contiene aceite ni otros líquidos para enfriamiento, son usados en voltajes nominales menores de 15 KVA.

Clase AFA. Tipo Seco con enfriamiento por aire forzado.

Clase OA. Sumergido en aceite o sumergido en líquido aislante con enfriamiento propio.

Clase OA/FA. Sumergido en aceite con enfriamiento propio y por medio de aire forzado, para aumentar la capacidad de disipación de calor.

Clase OA/FA/FOA. Sumergido en aceite, con enfriamiento propio y por medio de aire forzado, con adición de ventiladores y bombas para la circulación del aceite.

Clase OW. Tipo sumergido en aceite y enfriado con agua. El agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los cuales están en contacto con el aceite aislante del transformador que circula por convección natural.

VALORES ASIGNADOS O NOMINALES

   ECUACIONES FUNDAMENTALES

TRANSFORMADOR MONOFASICO

CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS MONOFÁSICOS

Transformador eléctrico monofásico de núcleo cerrado de acero al silicio, donde se muestran dos devanados o enrollados de alambre de cobre desnudo, protegido con barniz aislante. Uno de esos corresponde al “enrollado primario” o de ENTRADA de la corriente alterna y el otro al “enrollado secundario” o de SALIDA de la propia corriente, una vez que el valor de la tensión ha sido aumentado o disminuido, de acuerdo con el tipo de transformador que se utilice, decir, si es “reductor de tensión” o si, por el contrario, es “elevador de tensión”.

Desde el punto de vista constructivo la mayoría de los transformadores eléctricos, independientemente de su tamaño, poseen como mínimo dos devanados o enrollados de alambre de cobre desnudo protegido por una fina capa de barniz aislante. El grosor o diámetro del alambre utilizado para cada enrollado dependerá del flujo máximo de corriente eléctrica en amperes (A) que debe soportar el transformador sin llegar a quemarse cuando le conectamos una resistencia, carga o consumidor eléctrico, de acuerdo con el cálculo que previamente realizó el fabricante cuando determinó su capacidad de trabajo. Ambos enrollados van colocados alrededor de un núcleo de acero al silicio que forma parte del cuerpo del transformador.

En la mayoría de los transformadores, el devanado que posee mayor número de vueltas generalmente corresponde al “enrollado primario” o de entrada “E” de la corriente que se va a transformar y corresponde al voltaje más alto. El devanado que posee menor número de vueltas es el “enrollado secundario” o de salida “S” de la corriente eléctrica ya transformada o modificada y corresponde al voltaje más bajo. En este caso el transformador trabajará como "reductor de tensión".

En algunos transformadores los dos enrollados se encuentran situados uno junto al otro por separado, pero en la mayoría de los casos después que se ha colocado el primer enrollado alrededor del núcleo, se coloca el segundo encima de éste, manteniendo independientes las correspondientes conexiones exteriores de entrada y salida de la corriente eléctrica.

Transformador eléctrico monofásico donde se muestran sus_ dos enrollados. Como se observa, ambos enrollados_se.encuentran separados  uno  del  otro,  pero  formando_parte  del.  mismo  núcleo  de  acero  al  silicio. En  el-  enrollado primario o de entrada “E” se  conecta   la  fuente.  De suministro  de.  Tensión  de  corriente alterna,  mientras-que en el enrollado secundario o de salida  “S” se  conecta-  la carga, en este. Caso una resistencia (R).

La carga o consumidor de energía eléctrica se conecta siempre al transformador en el circuito correspondiente al enrollado secundario o de salida “S”, ya sea éste reductor o elevador de tensión. La longitud y grosor del alambre de cobre del enrollado primario y secundario que utiliza, lo calcula el fabricante para que su salida “S” pueda entregar la tensión y capacidad que requiere la carga que se le va a conectar, siempre que los watt (W) o kilowatt (kW) de consumo no superen lo admitido. Cuando el consumo en watt o kilowatt de la carga instalada supera la que puede soportar el transformador, en el mejor de los casos se produce una caída de voltaje en el enrollado de salida, mientras que en el peor uno o los dos enrollados se queman si la temperatura que produce la circulación del flujo de la corriente en ampere (A) por dichos enrollados supera los límites de seguridad que permite el barniz aislante del alambre de cobre. En ese caso las espiras del alambre se ponen en corto circuito y el transformador queda inutilizado para continuar prestando servicio, por lo será necesario reponerlo por uno nuevo o sustituir en un taller los enrollados quemados. No obstante, esta última solución resulta a veces más costosa que comprar un transformador nuevo, sobre todo cuando son de pequeño tamaño.

Por otra parte, el principio de funcionamiento de un transformador se basa en la inducción electromagnética que se produce en el enrollado secundario cuando por el primario circula una corriente alterna procedente de cualquier fuente de fuerza electromotriz.

Esta figura muestra el núcleo cerrado de acero al silicio de un.transformador eléctrico, así como las líneas de fuerza (Ø) que lo.recorren cuando el enrollado primario o de entrada “E” se conecta a.una fuente de fuerza electromotriz de corriente alterna. Esas líneas.de fuerza refuerzan el campo magnético que produce el enrollado .primario, induciendo, a su vez, otra  corriente  eléctrica  en el.enrollado secundario. Esa tensión de salida “S” será menor o mayor.dependiendo del tipo de transformador, o sea, si es “reductor” o.“elevador”. El núcleo de acero cerrado provoca el reforzamiento de.las líneas de fuerza magnética que lo recorren, lo que influye en la.reducción del tamaño del transformador y en la disminución de su.peso total.

Existe también otro tipo de transformador de fuerza o potencia monofásico de diferente construcción, que consta de un solo devanado o enrollado colocado en un simple núcleo abierto de acero al silicio. Esta variante se denomina “autotransformador” y su principal característica radica en que a partir de un punto determinado de su único enrollado (generalmente el punto medio) parte una derivación hacia el exterior para conectar la carga o consumidor en unos casos, o la fuente de suministro de corriente en otros, dependiendo si éste actúa como reductor o como elevador de tensión.

TRANSFORMADOR TRIFASICO

Ventajas del transformador de núcleo 3φ sobre los grupos monofásicos:

1. Ocupan menos espacio.

2. Son más livianos.

3. Son más baratos.

4. Hay solo una unidad que conectar y proteger.

Desventajas:

1. Mayor peso unitario.

2. Cualquier falla inutiliza toda la transformación 3φ lo que obliga a tener una unidad o potencia de reserva mayor.

Por convención se adopta la letra mayúscula para indicar la forma de conexión del devanado primario y con letra minúscula, la del devanado secundario (por ejemplo: Yd es conexión primaria en estrella y secundario en triángulo). Por lo tanto las combinaciones de conexiones que se obtienen son las siguientes:

Dd, Dy, Dz, Yy, Yd, Yz, Zd, Zy, Zz; siendo las mas empleadas las seis primeras combinaciones.

Si algún devanado tiene neutro accesible, al símbolo correspondiente se le señala la letra “o” o “n”.

CONEXIONES DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

a) Conexión Estrella: Esta forma de conexión, se prefiere para operaciones con tensiones elevadas(ó muy altas) por resultar más económico.

b) Conexión Triángulo: Empleada para transformadores de potencia elevada y tensiones moderadas ó corrientes elevadas.

c) Conexión Estrella-Estrella: Empleado cuando se desee disponer de neutro en baja y cuando no se prevean grandes corrientes de desequilibrio (fase neutro).

Útil para transformadores con potencias pequeñas ó moderadas a tensiones elevadas. d) Conexión Estrella-Triangulo: Adecuado como transformador reductor (cuando no se requiere puesta a tierra en el secundario). No genera armónicas de tensión. Se recomienda mayormente para tensiones secundarias relativamente bajas que motiva corrientes elevadas.

e) Conexión Triángulo- Estrella: Empleado como transformador elevador. No es generador de terceras armónicas de tensión. No motiva flujos por el aire en caso de cargas desequilibradas (c.c.) ni traslados de neutros (sobretensiones). Admite cargas desequilibradas y posibilidad de sacar neutro en baja tensión.