Transformadores: generalidades (página 2)

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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,

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

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

Pérdidas por corrientes parasitas o de
Foucault
Perdidas por histéresis

PÉRDIDAS EN EL COBRE

En el devanado primario
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

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:

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.
Deben tener igual porcentaje de
impedancia.
Debe tenerse mucho cuidado con la polaridad de los
transformadores.
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:

Con el se dispone de dos voltajes diferentes, 120
voltios para alumbrado y aparatos pequeños, y 240
voltios para aparatos de mayor consumo.
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
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:

Tensión nominal
Capacidad de sobrecarga
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:

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