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Diseño de transformadores monofásicos

Enviado por wilian pauzhi



  1. Diseño de núcleos magnéticos monofásicos (tipo columnas y acorazado)
  2. Diseño de devanados
  3. Tipos de chapas normalizadas (formas y tamaños)
  4. Bibliografía

Diseño de núcleos magnéticos monofásicos (tipo columnas y acorazado)

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

Un transformador elevador recibe la potencia a un valor más elevado, en tanto que un transformador reductor recibe la potencia a un valor bajo.

Sustancialmente se puede decir que un transformador está constituido por un núcleo de material magnético que forma un circuito cerrado, y sobre de cuyas columnas o piernas se localizan los devanados, uno denominado "primario" que recibe la energía y el otro secundario, que se cierra sobre un circuito de utilización al cual entrega la energía.

Los devanados se encuentran eléctricamente aislados entre sí, un transformador consta de dos partes esenciales:

  • El núcleo magnético.

  • Los devanados.

La construcción del núcleo.

El núcleo magnético está formado por laminaciones de acero que tienen pequeños 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.

Existen 2 tipos de núcleos fundamentales de estructura del transformador ellos son el tipo columnas y el tipo acorazado, los cuales se detallan a continuación.

Tipo columnas: este tipo de núcleo se representa en el siguiente grafico, Este núcleo no es macizo, sino que está formado por un paquete de chapas superpuestas, y aisladas eléctricamente entre sí.

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La aislación entre chapas se consigue con barnices especiales, con papel de seda, o simplemente oxidando las chapas con un chorro de vapor.

Núcleo tipo acorazado: este tipo de núcleo es más perfecto, pues se reduce la dispersión. Obsérvese que las líneas de fuerza de la parte central, alrededor de la cual se colocan las bobinas se bifurcan abajo y arriba hacia los 2 costados, de manera que todo el contorno exterior del núcleo puede tener la mitad de la parte central. Esto vale para las 2 ramas laterales como también para las 2 cabezas. Para armar el núcleo acorazado también se lo construye en trozos, unos en forma de E y otros en forma de I, y se colocan alternados, para evitar que las juntas coincidan.

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 El hecho que los núcleos sean hechos en dos trozos, hace que aparezcan juntas donde los filos del hierro no coinciden perfectamente, quedando una pequeña luz que llamaremos entrehierro. Obsérvese que en el tipo núcleo hay dos entrehierros en el recorrido de las fuerzas, y que el acorazado también, porque los dos laterales son atravesados por la mitad de líneas cada uno.

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Diseño de devanados

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

Devanados de baja tensión Están constituidos por lo general, de una sola espiral (algunas veces en 2 o 3 capas sobrepuestas), con alambres rectangulares aislados. El conductor se usa generalmente para potencias pequeñas y tiene diámetros no superiores a 3 o 3.5mm. El aislamiento de los conductores, cuando son cilíndricos, pueden ser de algodón y de papel, y más raramente conductor esmaltado en caso de que los transformadores no sean enfriados con aceite.

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

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 conductores, 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 es 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.

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 contrastantes 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 se encuentre 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:

>Concéntrico. >Concéntrico doble. >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 cercana al núcleo) y aislado del núcleo, y del de tensión mas elevada, por medio de tubos aislantes (cartón baquelizado, baquelita, etc).

En la disposición de concéntrico doble, el devanado de tensión más 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.

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 el esfuerzo mecánico son mejor las disposiciones de tipo alternado, pues permite que el transformador soporte mejor los esfuerzos mecánicos.

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Aislamiento externo de los devanados.

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

Sistema de amarre axial de los devanados mediante tornillos opuestos de presión.

El aislamiento entre lascase 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.

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 las 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.

Tipos de chapas normalizadas (formas y tamaños)

La aleación ferro magnética más utilizada para el diseño de núcleos de transformadores es la aleación hierro-silicio, esta aleación es la producida en mayor cantidad y esta compuesta por hierro esencialmente puro con 1-6% de silicio, dependiendo este porcentaje del fin a que se destine el material. Dando a esta aleación un tratamiento térmico adecuado, se obtiene un material que comparado con el hierro, tiene mejores propiedades magnéticas para campos magnéticos débiles, una resistividad mayor y sufren pérdidas totales menores en el núcleo. Esta aleación se lamina en chapas y flejes, principalmente de espesores comprendidos entre 0,35 y 0,635 mm recocidos; en el lenguaje corriente se le conoce con el nombre de acero al silicio o Chapa magnética.

La modificación del núcleo en chapas se ha dado como una solución al problema de las corrientes parasitas.

Las chapas de mejor calidad presentan mayor contenido en silicio, entre el 4 y el 5. El silicio eleva la dureza del material, por lo que su porcentaje se determina según el empleo al que se designa la chapa. También se prefieren chapas de menor contenido de silicio cuando las densidades de funcionamiento son elevadas o cuando se desea una elevada conductividad calorífica. Las perdidas en el núcleo y el coeficiente de envejecimiento aumentan al disminuir el contenido de silicio.

La fabricación de la chapa magnética ha llegado a estar normalizada en considerable extensión por lo que los datos magnéticos publicados por diversos fabricantes no se diferencian, calidad por calidad, excesivamente.

Características de las chapas.

Las chapas utilizadas para la construcción de los núcleos tipo anillo y tipo acorazado son generalmente de acero al silicio en proporciones de 2 a 4% de este último. Los espesores de estas láminas varían entre 0,3 y 0,5 mm para frecuencias de 50 ciclos.

Entre chapas debe haber aislación eléctrica lo que se consigue de diferentes formas: con una capa de barniz aplicado a una de sus caras, con una hoja de papel muy delgada encalado sobre una cara de la chapa, o para un material más económico, produciendo una oxidación superficial con vapor de agua.

Según el tipo de aislación se tienen diferentes efectos sobre el costo de la chapa y sobre la reducción de la sección neta del hierro. Para chapas de 0,35 a 0,5 mm de espesor, puede estimarse que la reducción de sección neta con aislación de barniz o papel es de un 10%.

En los transformadores pequeños se colocan las chapas una a una, alternando las juntas, para dar más solidez al conjunto y evitar piezas de unión entre partes del núcleo. En los grandes, las dos cabezas quedan separadas, y deben sujetarse con pernos roscados.

En los transformadores de gran potencia suele ser necesario formar conductos de refrigeración en la masa del núcleo, para aumentar la superficie de disipación del calor se colocan entonces separadores aislantes, de espesor conveniente para la circulación del aceite.

PROPIEDADES MATERIALES AISLANTES

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PROPIEDADES DE MATERIALES CONDUCTORES

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PROPIEDADES CHAPAS MAGNETICAS

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VALORES DE REFERENCIA DE TRANSFORMADORES A BAJA TENSION

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FORMA Y TAMAÑO DE CHAPAS MAGNETICAS NORMALIZADAS

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Observe que podemos realizar el moldeamiento matemático para nuestro trasformador, aprovechando al máximo las características de los materiales y las diferentes estructuras en conjunto con las leyes electromagnéticas, para satisfacer nuestras necesidades y tener una gran eficiencia de nuestro transformador.

Bibliografía

CHAPMAN Stephen J., Máquinas Eléctricas Editorial MaGraw Hill, Tercera edición, Colombia, 2000

KOSOW, Irving L., Máquinas eléctricas y transformadores. Editorial Prentice Hall Hispanoamericana S.A.. México 1991

www.monografias.com

 

 

Autor:

William Pauzhi

Boris Barzallo

Alexis Pucha

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

MAQUINAS ELECTRICAS


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