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Los transformadores y sus aplicaciones (página 4)

Enviado por Edian Franco



Partes: 1, 2, 3, 4


También se construyen motores de CC con el rotor de imanes permanentes para aplicaciones especiales.

6.5.1- Principio de funcionamiento

Según la segunda Ley de Lorentz, un conductor por el que pasa una corriente eléctrica que causa un campo magnético a su alrededor tiende a ser expulsado si se le quiere introducir en otro campo magnético.

F = B \cdot l \cdot I

F: Fuerza en newtons

I: Intensidad que recorre el conductor en amperios

l: Longitud del conductor en metros lineales

B: Inducción en teslas

Vale la pena agregar en el caso de las direcciones de la inducción magnética , la fuerza en la que se moverá el conductor como también el sentido de circulación de la corriente, se pueden definir con la Regla de la Mano Derecha de Fleming.

 6.5.2- Fuerza contraelectromotriz inducida en un motor

Es la tensión que se crea en los conductores de un motor como consecuencia del corte de las líneas de fuerza, es el efecto generador

La polaridad de la tensión en los generadores es inversa a la aplicada en bornes del motor.

Las fuertes puntas de corriente de un motor en el arranque son debidas a que con máquina parada no hay fuerza contraelectromotriz y el bobinado se comporta como una resistencia pura del circuito.

6.5.3- Número de escobillas

Las escobillas deben poner en cortocircuito todas las bobinas situadas en la zona neutra. Si la máquina tiene dos polos, tenemos también dos zonas neutras En consecuencia, el número total de escobillas ha de ser igual al número de polos de la máquina.

En cuanto a su posición, será coincidente con las líneas neutras de los polos.

6.5.4- Sentido de giro

El sentido de giro de un motor de corriente continua depende del sentido relativo de las corrientes circulantes por los devanados inductor e inducido.

La inversión del sentido de giro del motor de corriente continua se consigue invirtiendo el sentido del campo magnético o de la corriente del inducido.

Si se permuta la polaridad en ambos bobinados, el eje del motor gira en el mismo sentido.

Los cambios de polaridad de los bobinados, tanto en el inductor como en el inducido se realizarán en la caja de bornes de la máquina.

6.5.5- Reversibilidad

Los motores y los generadores de corriente continua están constituidos esencialmente por los mismos elementos, diferenciándose únicamente en la forma de utilización.

Por reversibilidad entre el motor y el generador se entiende que si se hace girar al rotor, se produce en el devanado inducido una fuerza electromotriz capaz de transformarse en energía en el circuito de carga.

En cambio, si se aplica una tensión continua al devanado inducido del generador a través del colector de delgas, el comportamiento de la máquina ahora es de motor, capaz de transformar la fuerza contraelectromotriz en energía mecánica.

En ambos casos el inducido está sometido a la acción del campo inductor principal.

6.6- Motor Pasó a Paso

El motor de paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un convertidor digital-analógico y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas lógicos.

Este motor presenta las ventajas de tener alta precisión y repetibilidad en cuanto al posicionamiento. Entre sus principales aplicaciones destacan como motor de frecuencia variable, motor de corriente continua sin escobillas, servomotores y motores controlados digitalmente.

Existen 3 tipos fundamentales de motores paso a paso: el motor de reluctancia variable, el motor de magnetización permanente, y el motor paso a paso híbrido.

6.6.1- Principio de Funcionamiento

El motor paso a paso está constituido , como la mayoría de motores eléctricos, esencialmente de dos partes:

  • Una parte fija llamada "estator" , construida a base de cavidades en las que van depositadas las bobinas que excitadas convenientemente formarán los polos norte-sur de forma que se cree un campo magnético giratorio.
  • Una parte móvil, llamada "rotor" construida bien con un imán permanente o bien por un inducido ferromagnético, con el mismo número de pares de polos que el contenido en una sección de la bobina del estator; este conjunto va montado sobre un eje soportado por dos cojinetes que le permiten girar libremente.

Si por el medio del control que sea (electrónico, informático, etc..), conseguimos excitar el estator creando los polos N-S, y hacemos variar dicha excitación de modo que el campo magnético formado efectúe un movimiento giratorio, la respuesta del rotor será seguir el movimiento de dicho campo, produciéndose de este modo el giro del motor.

Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas están alimentadas, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.

120px-Stepper_motor_1

Paso 1; la bobina 1 esta activada, atrayendo los cuatro dientes superiores imantados del rotor.

120px-Stepper_motor_2

Paso 2; la bobina 1 se apaga, y la bobina 2 (derecha) se activa, moviendo los dientes cercanos a la derecha. Resulta una rotación de 3.6°.

120px-Stepper_motor_3

Paso 3; De nuevo la bobina 2 se apaga, y la bobina 3 se activa. Resulta otra rotación de 3.6°.

120px-Stepper_motor_4

Paso 4; La activación de la bobina 4 permite de nuevo la rotación de 3.6°. Cuando la bobina 1 se carge de nuevo, un diente habra permutado su posición a la derecha; como hay 25 dientes, se necesitaran 100 pasos para un giro completo.

  6.7- Características generales
  • Rendimiento: es el cociente entre la potencia útil que generan y la potencia absorbida. Se representa con el caracter η
  • Velocidad de giro o velocidad nominal: es la velocidad angular del cigueñal, es decir, el número de radianes por segundo (rad/s) a las que gira. Se representa por la letra n.
  • Potencia: es el trabajo que el motor es capaz de realizar en la unidad de tiempo a una determinada velocidad de giro. Se mide normalmente en caballos de vapor (CV), siendo 1 CV igual a 736 vatios.
  • Par Motor: es el momento de rotación que actúa sobre el eje del motor y determina su giro. Se mide en kilográmetros (kgm) o newtons-metro (Nm), siendo 1 kgm igual a 9,8 Nm. Hay varios tipos de pares, véanse por ejemplo el par de arranque, el par de aceleración y el par nominal.
6.8- Ventajas

En diversas circunstancias presenta muchas ventajas respecto a los motores de combustión:

  • A igual potencia, su tamaño y peso son más reducidos.
  • Se pueden construir de cualquier tamaño.
  • Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente constante.
  • Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 75%, aumentando el mismo a medida que se incrementa la potencia de la máquina).
6.9- Cambio de sentido de giro

Para efectuar el cambio de sentido de giro de los motores eléctricos de corriente alterna se siguen unos simples pasos tales como:

  • Para motores monofásicos únicamente es necesario invertir las terminales del devanado de arranque
  • Para motores trifásicos únicamente es necesario invertir dos de las conexiones de alimentación correspondientes a dos fases de acuerdo a la secuencia de trifases.
6.10- Regulación de velocidad

En los motores asíncronos trifásicos existen dos formas de poder variar la velocidad, una es variando la frecuencia mediante un equípo electrónico especial y la otra es variando la polaridad gracias al diseño del motor. Esto último es posible en los motores de devanado separado, o los motores de conexión Dahlander.

7.- Bobinas

La bobina o inductor es un elemento que reacciona contra los cambios en la corriente a través de él, generando una tensión que se opone a la tensión aplicada y es proporcional al cambio de la corriente.

Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.

Al estar la bobina hecha de espiras de cable, el campo magnético circula por el centro de la bobina y cierra su camino por su parte exterior.

Una característica interesante de las bobinas es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellas.

Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellas (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de alimentación de corriente continua), esta intentará mantener su condición anterior.

Este caso se da en forma continua, cuando una bobina esta conectada a una fuente de corriente alterna y causa un desfase entre la tensión que se le aplica y la corriente que circula por ella.

7.1- Construcción

Un inductor está constituido usualmente por una cabeza hueca de una bobina de material conductor, típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo de un material ferroso, para incrementar su capacidad de magnetismo entre la Intensidad (inductancia).

Los inductores pueden también estar construidos en circuitos integrados, usando el mismo proceso utilizado para realizar microprocesadores. En estos casos se usa, comúnmente, el aluminio como material conductor. Sin embargo, es raro que se construyan inductores dentro de los circuitos integrados; es mucho más práctico usar un circuito llamado "girador" que, mediante un amplificador operacional, hace que un condensador se comporte como si fuese un inductor. El inductor consta de las siguientes partes:

ü       Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar.

ü       Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor.

ü       Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica.

ü       Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro.

ü       Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia.

ü       Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.

También pueden fabricarse pequeños inductores, que se usan para frecuencias muy altas, con un conductor pasando a través de un cilindro de ferrita o granulado.

7.2- Energía almacenada

La bobina almacena energía eléctrica en forma de campo magnético cuando aumenta la intensidad de corriente, devolviéndola cuando ésta disminuye. Matemáticamente se puede demostrar que la energía, \mathcal{E} \,\!, almacenada por una bobina con inductancia L\,\!, que es recorrida por una corriente de intensidad I \,\!, viene dada por:

\mathcal{E} = {1 \over 2} L I^2\,\!

7.3- Fuerza electromotriz autoinducida

Una variación de la intensidad de corriente (\quad i(t) = \Delta I/\Delta t) dará como resultado una variación del campo magnético y, por lo mismo, un cambio en el flujo que está atravesando el circuito. De acuerdo con la Ley de Faraday, un cambio del flujo, origina una fuerza electromotriz autoinducida. Esta fuerza electromotriz, de acuerdo con la Ley de Lenz, se opondrá a la causa que lo origina, esto es, la variación de la corriente eléctrica, por ello suele recibir el nombre de fuerza contralectromotriz. Su valor viene dado por la siguiente ecuación diferencial:

E =- \frac{d\Phi}{dt} = -L \frac{di}{dt}

donde el signo menos indica que se opone a la causa que lo origina.

En un inductor ideal, la fuerza contra-electromotriz autoinducida es igual a la tensión aplicada al inductor. La fórmula precedente puede leerse de esta manera: Si uno de los bornes del inductor es positivo con respecto al otro, la corriente que entra por el primero aumenta con el tiempo.

Cuando el inductor no es ideal porque tiene una resistencia interna en serie, la tensión aplicada es igual a la suma de la caída de tensión sobre la resistencia interna más la fuerza contra-electromotriz autoinducida.

7.4- Comportamientos ideal y real

Figura 2: Circuito con inductancia.

Circuito con inductancia.

La bobina ideal puede definirse a partir de la siguiente ecuación:

 u(t) = L{di(t) \over dt} \;

donde, L es la inductancia, u(t) es la función diferencia de potencial aplicada a sus bornes e i(t) la intensidad resultante que circula.

7.4.1- Comportamiento en corriente continua

Figura 3. Diagrama cartesiano de las tensiones y corriente en una bobina.

Diagrama cartesiano de las tensiones y corriente en una bobina.

Una bobina ideal en CC se comporta como un cortocircuito (conductor ideal) mientras que la real se comporta como una resistencia cuyo valor RL (figura 5a) será el de su devanado. Esto es así en régimen permanente ya que en régimen transitorio, esto es, al conectar o desconectar un circuito con bobina, suceden fenómenos electromagnéticos que inciden sobre la corriente (ver circuitos serie RL y RC).

7.4.2- Comportamiento en corriente alterna

Figura 4. Diagrama fasorial.

Diagrama fasorial.

 

En CA, una bobina ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente que recibe el nombre de reactancia inductiva, XL, cuyo valor viene dado por el producto de la pulsación ( \quad \omega = 2 \pi f \,\!) por la inductancia, L:

 \quad X_L = \omega L \,\!

Si la pulsación está en radianes por segundo (rad/s) y la inductancia en henrios (H) la reactancia resultará en ohmios.

Al conectar una CA senoidal v(t) a una bobina aparecerá una corriente i(t), también senoidal, esto es, variable, por lo que, como se comentó más arriba, aparecerá una fuerza contraelectromotriz, -e(t), cuyo valor absoluto puede demostrase que es igual al de v(t). Por tanto, cuando la corriente i(t) aumenta, e(t) disminuye para dificultar dicho aumento; análogamente, cuando i(t) disminuye, e(t) aumenta para oponerse a dicha disminución. Esto puede apreciarse en el diagrama de la figura 3. Entre 0º y 90º la curva i(t) es negativa, disminuyendo desde su valor máximo negativo hasta cero, observándose que e(t) va aumentando hasta alcanzar su máximo negativo. Entre 90º y 180º, la corriente aumenta desde cero hasta su valor máximo positivo, mientras e(t) disminuye hasta ser cero. Desde 180º hasta los 360º el razonamiento es similar al anterior.

Dado que la tensión aplicada, v(t)es igual a -e(t), o lo que es lo mismo, está desfasada 180º respecto de e(t), resulta que la corriente i(t) queda retrasada 90º respecto de la tensión aplicada.

Consideremos por lo tanto, una bobina L,  a la que se aplica una tensión alterna de valor:

u(t)=V_0 \cdot \sin(\omega t + \beta),

Figura 5.: Circuitos equivalentes de una bobina real en CC, a), y en CA, b) y c).

Circuitos equivalentes de una bobina real en CC, a), y en CA, b) y c).

De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna, retrasada 90º (π / 2) respecto a la tensión aplicada (figura 4), de valor:

i(t)= {u(t) \over R} = I_0 \cdot \sin(\omega t + \beta - {\pi \over 2}),

donde I_0 = {V_0 \over X_L}. Si se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en forma polar:

\vec{I} = I \ \underline{\mid \beta - 90^\circ}

Y operando matemáticamente:

\vec{I} = {V \over X_L} \ \underline{\mid \beta - 90^\circ} = {{V \ \underline{\mid \beta}} \over {X_L \ \underline{\mid 90^\circ}}}

Por lo tanto, en los circuitos de CA, una bobina ideal se puede asimilar a una magnitud compleja sin parte real y parte imaginaria positiva:

\vec{X_L} = 0 + X_Lj = X_L \ \underline{\mid 90^\circ}

En la bobina real, habrá que tener en cuenta la resistencia de su bobinado, RL, pudiendo ser su circuito equivalente o modelo, el que aparece en la figura 5b) o 5c) dependiendo del tipo de bobina o frecuencia de funcionamiento, aunque para análisis más precisos pueden utilizarse modelos más complejos que los anteriores.

7.5- Asociaciones comunes

Figura 6. Asociación serie general.

Asociación serie general.

Figura 7. Asociación paralelo general.

Asociación paralelo general.

 

Al igual que la resistencias, las bobinas pueden asociarse en serie, paralelo o de forma mixta. En estos casos, y siempre que no exista acoplamiento magnético, la inductancia equivalente para la asociación serie vendrá dada por:

L_{AB} = L_1 + L_2 +...+ L_n = \sum_{k=1}^n L_k

y para la paralelo:

L_{AB} = {1 \over \sum_{k=1}^n {1 \over L_k} }

Para la asociación mixta se procederá de forma análoga que con las resistencias.

Si se requiere una mayor comprensión del comportamiento reactivo de un inductor, es conveniente entonces analizar detalladamente la "Ley de Lenz" y comprobar de esta forma como se origina una reactancia de tipo inductiva , la cual nace debido a una oposición que le presenta el inductor o bobina a la variación de flujo magnetico.

7.6- Bobina de Rogowski

La bobina de Rogowski, llamada así en honor a su inventor Walter Rogowski, es un dispositivo electrónico, usado como transductor para medir corriente alterna (AC) o pulsos rápidos de corriente.

Consiste en una bobina de cable en forma de hélice, alrededor de una circunferencia, como un toroide, pero con núcleo de aire, y las dos terminales están cercanas entre si. Una vez que se tiene esta, la bobina se cierra alrededor del cable conductor que transporta la corriente que se quiere medir. Dado que el voltaje inducido en la bobina es proporcional a la velocidad con la que varía la corriente que se mide en el cable, o a su derivada temporal, la salida obtenida en la bobina de Rogowski es usualmente conectada a un dispositivo integrador para obtener la señal proporcional a la corriente.

Una ventaja de la bobina de Rogowski frente a otros tipos de transformadores de corriente es que por su diseño puede ser abierta y flexible, lo cual permite medir un cable conductor sin perturbarlo. Dado que la bobina de Rogowski no tiene núcleo de hierro, sino de aire, esta permite tener una baja inductancia y respuesta a corrientes de rápida variación. Además, la ausencia de núcleo de hierro que sature, brinda alta linealidad, aún midiendo grandes corrientes, tales como las que se observan en transmisión de energía eléctrica de alta potencia, soldadura, o aplicaciones con pulsos de alta potencia.

Una bobina de Rogowski construida apropiadamente, con el bobinado uniformemente espaciado, también presenta alta inmunidad a interferencia electromagnética.

Recientemente se han desarrollado sensores de corriente de bajo costo basados en el principio de la bobina de Rogowski, que utilizan su principio básico, la diferencia está en que el sensor puede ser hecho usando una bobina plana en lugar de la bobina toroidal. Para rechazar la influencia de conductores externos a la zona de medición, estos sensores usan una geometría de bobina concéntrica en lugar de la toroidal para reducir la respuesta a campos externos.

La ventaja principal de un sensor de corriente planar Rogowski, es que la precisión con la que se hace el devanado, la cual es un requerimiento para obtener buenas mediciones, puede ser lograda usando placas de circuito impreso de bajo costo.

7.7- Bobina de Tesla

Una bobina de Tesla (también simplemente: bobina tesla) es un tipo de transformador resonante, llamado así en honor a su inventor, Nikola Tesla. Las bobinas de Tesla están compuestas por una serie de circuitos eléctricos resonantes acoplados. En realidad Nikola Tesla experimentó con una gran variedad de bobinas y configuraciones, así que es difícil describir un modo específico de construcción que satisfaga a aquellos que hablan sobre bobinas de "Tesla". Las "primeras" bobinas y las bobinas "posteriores" varían en configuraciones y montajes. Generalmente las bobinas de Tesla crean descargas eléctricas de largo alcance, lo que las hace muy populares entre los entusiastas del alto voltaje.

8.- La Construcción de un Transformador

8.1- Consideraciones generales.

Un transformador consta de dos partes esenciales: El núcleo magnético y los devanados, estos están relacionados con otros elementos destinados a las conexiones mecánicas y eléctrica entre las distintas partes al sistema de enfriamiento, al medio de transporte y a la protección de la máquina en general. en cuanto a las disposiciones constructivas, el núcleo determina característica relevantes, de manera que se establece una diferencia fundamental en la construcción de transformadores, dependiendo de la forma del núcleo, pudiendo ser el llamado NUCLEO TIPO COLUMNAS y el NUCLEO TIPO ACORAZADO, existen otros aspectos que establecen diferencias entre tipos de transformadores, como es por ejemplo el sistema de enfriamiento, que establece la forma de disipación del calor producido en los mismos, o bien en términos de su potencia y voltaje para aplicaciones, como por ejemplo clasificar en transformadores de potencia a tipo distribución.

8.2- La construcción del núcleo.

El núcleo magnético está formado por laminaciones de acero que tienen pequeño porcentajes de silicio (alrededor del 4%) y que se denominan "laminaciones magnéticos", estas laminaciones tienen la propiedad de tener pérdidas relativamente bajas por efecto de histéresis y de corrientes circulantes.

Están formados por un conjunto de laminaciones acomodadas en la forma y dimensiones requeridas. La razón de usar laminaciones de acero al silicio en los núcleos de las máquinas eléctricas, es que el silicio aumenta la resistividad del material y entonces hace disminuir la magnitud de las corrientes parásitas o circulantes y en consecuencia las pérdidas por este concepto.

En el caso de transformadores de gran potencia, se usan las llamadas "laminaciones de cristal orientado" cuyo espesor es de algunos milímetros y contienen entre 3% y 4% de silicio, se obtienen de material laminado en caliente, después se hace el laminado en frío, dando un tratamiento térmico final a la superficie de las mismas. Este tipo de laminación cuando se sujetan al flujo en la dirección de las laminaciones, presentan propiedades magnéticas mejores que la laminación "normal" de acero al silicio usada para otro tipo de transformadores.

8.2.1- Elementos de los núcleos de transformadores.

En los núcleos magnéticos de los transformadores tipo columna se distinguen dos partes principales: "las columnas" o piernas y los "yugos". En las columnas se alojan los devanados y los yugos unen entre si la las columnas para cerrar el circuito magnético.

Debido a que las bobinas se deben montar bajo un cierto procedimiento y desmontar cuando sea necesario por trabajos de mantenimiento, los núcleos que cierran el circuito magnético, terminar al mismo nivel en la parte que está en contacto con los yugos, o bien con salientes. En ambos casos los núcleos se arman con "juegos" de laminaciones para columnas y yugos que se arman por capas de arreglos "pares" e "impares".

Cuando se emplean laminaciones de cristal orientado, es necesario que las uniones entre yugos y columnas se realicen con cortes inclinados para evitar trayectorias transversales de las líneas de flujo respecto a tales direcciones.

Cuando se han armado los niveles a base de juegos de laminaciones colocadas en "pares" e "impares" el núcleo se sujeta usando tornillos opresores y separa por medio de los tornillos tensores.

En cuanto a los Yugos, se refiere, no estando vinculados estos con los devanados, pueden ser, entonces, rectangulares, aún cuando pueden tener también escalones para mejorar el enfriamiento.

8.3- Tipos de núcleos.

          Cuando se ha mencionado con anterioridad, laso núcleos  para transformadores se agrupan básicamente en las siguientes categorías:

 a)        Tipo núcleo o de columnas.

b)       Tipo acorazado.

c)        Tipo núcleo o de columnas.

Existen distintos tipos de núcleos tipos columna, que está caracterizados por la posición relativa de las columnas y de los yugos.

8.3.1- Núcleo monofásico.

Se tienen dos columnas unidas en las partes inferior y superior por medio de un yugo, en cada una de estas columnas se encuentran incrustados la mitad del devanado primario y la mitad del devanados secundario.

8.3.2- Núcleo trifásico.

Se tienen tres columnas dispuestas sabor el mismo plano unidas en sus partes inferior y superior por medio de yugos. Sobre cada columna se incrustan los devanados primarios y secundario de una fase. Las corrientes magnetizantes de las tres fases son distintas entre sí, debido principalmente a que el circuito magnético de las columnas externas es más largo que el correspondiente a la columna central.

Este desequilibrio, tomando en cuenta que la corriente magnetizantes de las tres fases son distintas entre sí, debido principalmente que el circuito magnético de las columnas externas es más largo que el correspondiente a la columna central. Este desequilibrio, tomando en cuenta que la corriente de vacío es bastante baja, tiene influencia solamente para las condiciones de operación en vacío.

8.3.3- Tipo acorazado.

Este tipo de núcleo acorazado, tiene la ventaja con respecto al llamado tipo columna, de reducir la dispersión magnética, su uso es más común en los transformadores monofásicos. En el núcleo acorazado, los devanados se localizan sobre la columna central, y cuando se trata de transformadores pequeños, las laminaciones se hacen en troqueles. Las formas de construcción pueden ser distintas y varían de acuerdo con la potencia.

8.3.4- Herrajes o armadura.

Como se ha mencionado antes, los núcleos de los transformadores tienen partes que cumplen con funciones puramente mecánicas de sujeción de las laminaciones y estructuras, estas pares o elementos se conocen como "herrajes" o armadura y se complementan con componentes como fibra se vidrio o madera para protección de la sujeción de los yugos.

8.4- Los devanados de los transformadores.

Los devanados de so transformadores se pueden clasificar en baja y alta tensión, esta distinción es de tipo global y tiene importancia para los propósitos de el realización práctica de los devanados debido a que los criterios constructivos para la realización de los devanados de baja tensión, son distintos de los usados para los devanados de alta tensión.

Para los fines constructivos, no tiene ninguna importancia la función de un devanado, es decir, que sea primario o el secundario, importa solo la tensión para la cual debe ser previsto.

Otra clasificación de los devanados se puede hacer con relación a la potencia del transformador, para tal fin existen devanados para transformadores de baja potencia, por ejemplo de 1000 a 2000 VA y para transformadores de media y gran potencia. Los devanados para transformadores de pequeña potencia son los más fáciles de realizar.

En este tipo de transformadores los devanados primario y secundario son concéntricos y bobinado sobre un soporte aislante único. Por lo general, se usan conductores de cobre esmaltado, devanados en espiral y con capas sobrepuestas. Por lo general, el devanado de menor tensión se instala más cerca del núcleo interponiendo un cilindro de papel aislante y mediante separadores, se instala en forma concéntrica el devanado de tensión mayor. Los extremos de los devanados (denominados también principio y final del devanador) se protegen con aislante de forma de tubo conocido como "spaguetti".

8.4.1- Devanados para transformadores de distribución.

En estos transformador, las diferencia entre las tensiones primaria y secundaria es notable, por ejemplo, los transformados para reces de distribución de 13200 volts a las tensiones de utilización de 220/127 volts debido a estas diferencias, se emplean criterios constructivo distintos a os considerados en los transformadores pequeños de baja tensión y se dividen en devanados de baja tensión y de alta tensión.

8.4.2- Devanados de baja tensión.

Están constituidos por lo general, de una sola espiral (algunas veces en dos o tres capas sobrepuestas), con alambres rectangular aislado.

 El conductor se usa generalmente para potencia pequeñas y tiene diámetros no superiores a 3 o 3.5 mm. El aislamiento de los conductores, cuando son cilíndricos, puede ser de algodón o de papel, más raramente conductor esmaltado en el caso que los transformadores que no sean enfriados por aceite.

Para transformadores de mediana y gran potencia, se recurre al uso de placa o solera de cobre aislada, el aislamiento es por lo general de papel. En el caso de que las corrientes que transporte el devanado sean elevadas ya sea por vacilidad de manipulación en la construcción o bien para reducir las corrientes parásitas, se puede construir el devanado don más de una solera o placa en paralelo.

8.4.3- Devanados de alta tensión.

Los devanados de alta tensión, tiene en comparación con los de baja tensión, muchos espiras, y la corriente que circula por ellos, es relativamente baja, por lo que son de conductor de cobre de sección circular con diámetro de 2.5 a 3.0 mm.

Con respecto a las características constructivas, se tienen variantes de fabricante a fabricante, hay básicamente dos tipos, el llamado "tipo bobina" formados de varias capas de condutores, estas bobinas tienen forma discoidal, estas bobinas se conectan, por lo general, en serie para dar el número total de espiras de una fase. El otro tipo des el llamado "de capas" constituido por una sola bobina con varias capas, esta bobina es de longitud equivalente a las varias bobinas discoidales que constituirían el devanado equivalente, por lo general, el número de espiras por capa en este tipo de devanado, es superior al constituido de varias bobinas discoidales.

Como aspectos generales, se puede decir que el primer tipo (bobinas discoidales), da mayor facilidad de enfriamiento e impregnarse de aceite, debido a que dispone canales de circulación más numerosos, también tiene la ventaja de que requiere de conductores de menor diámetro equivalente al otro tipo, da mayor facilidad constructiva. Tiene la desventaja de ser más tardado en su construcción.

Las bobinas discoidales se conocen también como "tipo galleta" en algunos casos, se forman cada una, de un cierto número de conductores dispuestos en capas y aisladas estas capas entre sí por papel aislante, cada bobina al terminar se "amarra" con cinta de lino o algodón para darle consistencia mecánica y posteriormente se les da un baño de barniz y se hornean a una cierta temperatura, con lo cual adquiere la rigidez mecánica necesaria. Cada bobina, está diseñada para tener una tensión no superior a 1000-1500 volts, por lo que para dar la tensión necesaria para una fase, se deben colocar varias bobinas en serie.

8.4.4- Posición de los devanados.

La disposición de los devanados en los transformadores, debe ser hecha de tal forma, que se concilien en la mejor forma las dos exigencias que son contrastentes entre sí, del aislamiento y de la menor dispersión del flujo. La primera requiere de la mayor separación entre devanados, en tanto que la segunda, requiere que el primario s encuentra los más cercano posible del secundario,. En la práctica, se alcanza una solución conveniente del problema con la disposición de los devanados dentro e los siguientes tipos:

Ø      Concéntrico.

Ø      Concéntrico doble.

Ø      Alternado.

En el tipo concéntrico, cada uno de los devanados está distribuido a lo largo de toda la columna el devanado de tensión más baja se encuentra en al parte interna (más cercan al núcleo) y aislado del núcleo, y del de tensión más elevada, por medio de tubos aislantes (cartón baquelizado, baquelita, etc.).

En la disposición de concéntrico doble, el devanado de tensión más de baja se divide en dos mitades dispuestas respectivamente al interior y al exterior uno de otro.

En el llamado tipo alternado, los dos devanados están subdivididos cada uno en una cinta número de bobinas que están dispuestas en las columnas en forma alternada.

La consideraciones que orientan desde el punto de vista de diseño, la disposición de los devanados, son aquellos referentes al enfriamiento, el aislamiento, la reactancia de dispersión y a los esfuerzos mecánicos.

Con relación a los aislamientos, la solución más conveniente la representa el tipo concéntrico simple, porque requiere de una sola capa aislante entre los dos devanados, por lo que esta disposición es ventajosa en el caso de tensiones elevadas.

El llamado concéntrico doble tiene la prerrogativa de dar lugar a la reactancia de dispersión con valor de alrededor de la mitad de aquel relativo al concéntrico simple. El tipo alternado, en cambio, permite variar tales reactancias, repartiendo en forma distinta las posiciones de las bobinas de los dos devanados.. para los esfuerzo mecánicos son mejor las disposiciones de tipo alternado, pues permite que el transformador soporte mejor los esfuerzos mecánicos.

8.4.5- Construcción de los devanados.

Como se indicó anteriormente, los conductores usados para la construcción de los devanados, pueden ser de alambre circular (como un diámetro comprendida entre 0.2 y 0.4 mm) o bien solera de distintas medidas.

Según sea el tipo de las espiras de las bobinas, se pueden construir en dos formas.

Ø      Helicoidadl contínua.

Ø      Con bobinas separadas (discoidales).

Las bobinas helicoidales se hacen, por lo general, cuando el conductor empleado es de solera, lo único que se debe tener cuidado es en la forma del aislamiento con respecto al núcleo y eventualmente su constitución mecánica. Este tipo de construcción tiene cierto  tipo de limitaciones, en cuanto al aislamiento se refiere, aún cuando se puede construir en varias capas, por lo que su práctica se limita a los devanados de baja tensión.

La construcción de bobinas discoidales (para devanados con bobinas separadas), generalmente se hace con el mismo número de espiras por bobinas y de capas se hace de manera que se limite la tensión máxima entre espiras de capas adyacentes a una valor entre 200 y 300 volts, con esto se espera que en general, y sólo en casos excepcionales, el voltaje por bobina sea cuando mucho 1000 volts entre capas separadas por papel aislante.

Con relación a al posición de  los devanados, los transformadores son de dos tipos: de devanados concéntricos y devanados alternados.

En el caso de los transformadores con devanados concéntricos, estos, los devanados primario y secundario, son completamente distintos y se encuentran montados uno dentro del otro sabor el núcleo, estando, por razones de aislamiento, principalmente el devanado de menor voltaje más cerca del núcleo.

En transformadores de mayor potencia y sólo excepcionalmente, se puede dividir el devanado de bajo voltaje en dos partes, de manera que uno quede cercano al núcleo y la otra se coloque sobre el devanado de lata tensión, es decir, es un doble concéntrico.

La disposición de los devanados concéntrica, es la que tiene un mayor campo de aplicación.

Cualquiera que sea el tipo de devanado, la construcción de las bobinas se hace normalmente sobre moldes de madera o metálicos montados sobre bobinadoras o devanadoras cuyo tipo es distinto, dependiendo principalmente del tamaño de bobinas por construir. En el caso de bobinas para transformadores pequeños, que se pueden hacer en talleres de bobinado, estas bobinas son de tipo manual, y eventualmente se pueden llegar a usar tornos.

Cuando se termina de devanar una bobina, antes  su montaje se le debe dar un tratamiento como secarla en vacío para quitar posibles restos de humedad, y también un proceso de impregnación de barniz aislante y horneado a una temperatura que depende del tipo de barniz y cuyo objetivo es dar consistencia mecánica.

8.4.6- Aislamiento externo de los devanados.

Los devanados primario y secundario, deben estar aislados entere sí, generalmente este aislamientos de por medio de separadores de madera, baquelita o materiales aislantes similares que además cumplan con funciones refrigerantes.

8.4.7- Sistema de Amarre Axial de los Devanados Mediante Tornillos Opuestos de Presión

El aislamiento entre las fase de los transformadores trifásicos se efectúa separando convenientemente las columnas, entre las cuales se interponen algunas veces separadores o diafragmas de cartón tratado o bien de baquelita.

El aislamiento externo entre las fases, se logra por medio de las boquillas a las que se conectan las terminales de los devanados.

8.5-Conexiones de los devanados.

Cuando se construye un devanado, se puede bobinar en el sentido a la derecha o a la izquierda (con respecto al sentido de las manecillas del reloj), se ha observado que una corriente que tiene un determinado sentido, produce un flujo magnético en sentido opuesto, se tiene un devanado construido hacia la izquierda o un devanado hacia la derecha, esto se debe tomar en consideración, para evitar que con la conexiones que se realicen, se tengan flujos opuestos o voltajes inducidos opuestos. En general, cada fabricante adopta un sentido único de devanado para todas las bobinas, tanto secundarias como primarias.

En los transformadores monofásicos de dos columnas, el flujo es directo y en sentido opuesto en las dos columnas, esto significa que debe haber una forma de conexión.

8.6-Cambio en al relación de transformación.

En una red de distribución, la tensión no es exactamente la misma en todos los puntos, debido a que la caída de tensión depende de la distancia del punto de alimentación y de la magnitud de la carga. Para poder emplear los transformadores de distribución en los distintos puntos de la red y adaptarlos a las variaciones  tensión, se provee uno de los devanados de un cambiador de derivaciones (El de alta tensión) de tal forma que se puedan aumentar o disminuir el número de espiras y en consecuencia, variar la relación de transformación dentro de límites establecidos, estos límites, normalmente son del 5%.

8.7- Materiales Eléctricos Usados en la construcción de Transformadores

8.7.1-Conductores eléctricos.

          Los materiales usado como conductores en los transformadores, al igual que los usados en otras máquinas eléctrica, deben ser de alta conductividad, ya que con ellos se fabrican las bobinas. Los requisitos fundamentales que deben cumplir los materiales conductores, son los siguientes:

1.       La más alta conductividad posible.

2.       El menor coeficiente posible de temperatura por resistencia eléctrica.

3.       Una adecuada resistencia mecánica.

4.       Deben ser ductibles y maleables.

5.       Deben ser fácilmente soldables.

6.       Tener una adecuada resistencia a la corrosión.

 La resistividad o resistencia específica, al tensión disruptiva, la permitividad y la histéresis dieléctrica en adición a las propiedades dieléctricas se deben considerar también las propiedades mecánicas y su capacidad para soportar la acción de agentes químicos, el calor y otros elementos presentes durante su operación.

8.7.2- La temperatura y los materiales aislantes.

Uno de los factores que más afectan la vida de los aislamientos, es la temperatura de operación de las máquinas eléctricas, esta temperatura está producida principalmente por las pérdidas y en el caso específico de los transformadores, durante su operación, estas pérdidas están localizadas en los siguientes elementos principales:

El núcleo o circuito magnético, aquí las pérdidas son producidas por el efecto de histéresis y las corrientes circulantes en las laminaciones, son dependientes de la inducción, es decir, que influye el voltaje de operación.

Los devanados, aquí las pérdidas se deben principalmente al efecto joule y en menos medida por corrientes de Foucault, estas pérdidas en los devanados son dependientes de la carga en el transformador.

Se presentan también pérdidas en las uniones o conexiones que se conocen también como "puntos calientes" así como en los cambiadores de derivaciones.

Todas estas pérdidas producen calentamiento en los transformadores, y se debe elimina este calentamiento a valores que no resultan peligrosos par also aislamientos, por medio de la aplicación de distintos medios de enfriamiento.

Con el propósito de mantener en forma confiable y satisfactoria la operación de las maquinas eléctricas, el calentamiento de cada una de sus partes, se debe controlar dentro de ciertos límites previamente definidos.

Las perdidas en una máquina eléctrica son importantes no tanto porque constituyan una fuente de ineficiencia, sino porque pueden representar una fuente importante de elevación de temperatura para los devanado, esta elevación de temperatura puede producir efectos en los aislamientos de los propios devanados, o bien en los aislamientos entre devanados y el núcleo, por esta razón, es siempre importante que todos los aislamientos entre devanados y el núcleo, por esta razón, es siempre importante que todos los aislamientos ese mantengan dentro de los límites de temperatura que garanticen su correcta operación, sin perder su efectividad.

Como la elevación en la temperatura depende también de la carga en las máquinas dentro de sus límites de carga o "cargabilidad" establecidos, para así respetar los límites de temperatura de su aislamientos.

En su régimen nominal de operación, un transformador tiene estrechamente, ligado su voltaje y potencia a los límites impuestos por los aislamientos usados y en menor grado por las pérdidas por efecto joule.

8.7.3- Clasificación  de los materiales aislantes.

La clasificación de los materiales aislantes para máquinas eléctricas con relación a su estabilidad terminal, cubre básicamente siete clases de materiales aislantes que se usan por lo general y que son los siguientes:

Una descripción breve de estos materiales se dan a continuación:

Clase Y.

Este aislmiento consiste de materiales o combinaciones de materiales, tales como algodón, seda y papel sin impregnar.

Clase A.

Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como el algodón, sed ya papel con alguna impregnación o recubrimiento o cuando se sumergen en dialécticos líquidos tales como aceite. Otros materiales o combinación de materiales que caigan dentro de estos límites de temperatura, pueden caer dentro de esta categoría.

Clase E.

Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales que por experiencia o por pruebas, pueden operar a temperaturas hasta de 5 oC, sobre el temperatura de los aislamientos Clase A.

Clase B.

Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como la única, fibra de vidrio, asbestos, etc. con algunas substancias aglutinantes, pueden haber otros materiales inorgánicos.

Clase F.

Este aislamiento consiste en materiales o combinaciones de materiales tales como mica, fibra de vidrio, asbesto, etc., con sustancias aglutinables, así como otros materiales o combinaciones de materiales no necesariamente inorgánicos.

Clase H.

Este aislamiento consiste de materiales tales como el silicón, elastómetros y combinaciones de materiales tales como la mica, la fibra de vidrio, asbestos, etc., con sustancias aglutinables como son las resinas y silicones apropiados.

Clase C.

Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como la mica, la porcelana, vidrio, cualzo con o sin aglutinantes.

8.9- Métodos de Enfriamiento de Transformadores de Potencia.

Como ya se mencionó antes, el calor producido por las pérdidas en los transformadores afecta la vida de los aislamientos, por esta razón es importante que este calor producidos disipe de manera que se mantenga dentro de los límites tolerables por los distintos tipos de aislamiento.

La transmisión del calor tiene las etapas siguientes en so transformadores:

Ø      Conducción a través del núcleo, bobinas y demás elementos hasta la superficie.

Ø      Transmisión por convección en el caso de los transformadores secos.

Ø      Para los transformadores en aceite, el calor se transmite por convección a través de este dieléctrico.

Conclusión

La invención del transformador, data del año de 1884 para ser aplicado en los sistemas de transmisión que en esa época eran de corriente directa y presentaban limitaciones técnicas y económicas. El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribución de la energía eléctrica que usaba transformadores, se puso en operación en los Estados Unidos de América. En el año de 1886 en Great Barington, Mass., en ese mismo año, al protección eléctrica se transmitió a 2000 volts en corriente alterna a una distancia de 30 kilómetros, en una línea construida en Cerchi, Italia. A partir de esta pequeñas aplicaciones iniciales, la industria eléctrica en el mundo, ha recorrido en tal forma, que en la actualidad es factor de desarrollo de los pueblos, formando parte importante en esta industria el transformador.

El transformador, es un dispositivo que no tiene partes móviles, el cual transfiere la energía eléctrica de un circuito u otro bajo el principio de inducción electromagnética. La transferencia de energía la hace por lo general con cambios en los valores de voltajes y corrientes.

Un transformador elevador recibe la potencia eléctrica a un valor de voltaje y la entrega a un valor más elevado, en tanto que un transformador reductor recibe la potencia a un valor alto de voltaje y la entrega a un valor bajo.

Bibliografía

·              Vadez, Carlos J., "Transformadores ,  Operaciones y Uso", Editorial Sistes, Madrid, España, 1999

·              "Transformadores y Bobinas, Mc Grawhill, Madrid, España, 2001

·              "Guía Practica de Energía y Electrónica" Págs. 154-167, Editorial Cultura, 1995, Madrid España.

·             

·              http://es.wikipedia.org/wiki/Transformador

·              http://www.monografias.com/trabajos11/tradi/tradi.shtml

 

 

 

 

Autor:

Edain Franco

Franklin Batista

Miguel Acosta

Gerarld Encarnación

Juan Peña


Partes: 1, 2, 3, 4


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