Transformadores

Transformadores

1. Transformadores Monofásicos

   • Dispositivo que se encarga de "transformar" la tensión de corriente alterna que tiene a la entrada en otra diferente a la salida.
     • Se compone de un núcleo de hierro sobre el cual se han arrollado varias espiras (vueltas) de alambre conductor. Este conjunto de vueltas se llaman bobinas y se denominarán: "primario" a la que recibe la tensión de entrada y "secundario" a la que dona la tensión transformada.
       • La bobina "primaria" recibe una tensión alterna que hará circular, por ella, una corriente alterna. Esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro.
         • Como el bobinado "secundario" está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético circulará a través de las espiras de éste. Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del "secundario" se generará por el alambre del secundario una tensión. Habría corriente si hubiera una carga (si el secundario estuviera conectado a una resistencia, por ejemplo).
           • La razón de la transformación de tensión entre el bobinado "PRIMARIO" y el "SECUNDARIO" depende del número de vueltas que tenga cada uno.
             • Np/Ns=Tp/Ts
               • Np y Ns son el número de espiras y Tp y Ts son las tensiones del primario y del secundario respectivamente.
                 • Entonces: Vs= Vp . Ns/Np
         • Para generar el flujo magnético hay que gastar energía eléctrica que se toma del arrollamiento de entrada.
           • El flujo magnético que pasa a través del arrollamiento de entrada induce en el arrollamiento de salida una tensión que varía con la misma frecuencia.
             • Su magnitud depende de la intensidad, frecuencia del flujo y número de vueltas del arrollamiento de salida.
     • Un transformador puede ser elevador o reductor, dependiendo del número de espiras de cada bobinado.
       • Si se supone que el transformador es ideal (la potencia que se le entrega es igual a la que se obtiene de él, se desprecian las perdidas por calor y otras):
         • Potencia de entrada (Pi) = Potencia de salida (Ps). Pi = Ps
           • Teniendo los datos de intensidad y tensión de un dispositivo, se puede averiguar su potencia usando la fórmula:
             • Potencia (P) = Tensión (V) x Intensidad (I) P = V x I (W)
               • Para mantener la misma potencia en los dos bobinados, cuando la tensión se eleve la intensidad debe disminuir en la misma proporción y viceversa.
                 • Np/Ns = Is/Ip
                   • Para conocer la corriente en el secundario cuando se tiene la corriente Ip (intensidad en el primario), Np (espiras en el primario) y Ns (espiras en el secundario):
                     • Is = Np . Ip/Ns
   • Durante el transporte de la energía eléctrica se producen pérdidas que dependen de su intensidad.
     • Para reducir pérdidas se utilizan tensiones elevadas, con las que, para la misma potencia, resultan menores intensidades. La ventaja de la corriente alterna radica en que se puede transformar con facilidad.
       • Las pérdidas pueden minimizarse eligiendo tipos de chapa con un bajo coeficiente de pérdidas.
         • Para reducir las pérdidas por Corrientes Parásitas se utilizan finas chapas aisladas entre sí
   • Según funcionalidad:
     • Transformadores de potencia
     • Transformadores de comunicaciones
     • Transformadores de medida
   • Por los sistemas de tensiones:
     • Trifásicos
     • Trifásicos-exafásicos
     • Monofásicos
     • Trifásicos-dodecafásicos
     • Trifásicos-monofásicos
   • Según tensión secundario
     • Elevadores
     • Reductores
   • Según medio
     • Interior
     • Intemperie
   • Según elemento refrigerante
     • En seco
     • En baño de aceite
     • Con pyraleno
   • Según refrigeración
     • Natural
     • Forzada
   • Transformador ideal:
     • Máquina sin pérdidas, con una bobina de entrada y una bobina de salida.
       • NP espiras de alambre sobre su lado primario
         • Relación entre la tensión VP (t) aplicada al lado primario del transformador y la tensión VS(t) inducido sobre su lado secundario:
           • VP(t) / VS(t) = NP / NS = a
         • Potencia suministrada al transformador por el circuito primario
           • Pent = VP * IP * cos
       • NS de espiras de alambre en su lado secundario.
         • Relación entre la corriente ip(t) que fluye en el lado primario del transformador y la corriente is(t) que fluye hacia fuera del lado secundario del transformador:
           • NP * iP(t) = NS * iS(t)
             • iP(t) / iS(t) = 1 / a
         • Potencia que el circuito secundario suministra a sus cargas:
           • Psal = VS * IS * cos
     • Las bobinas primaria y secundaria de un transformador ideal tienen el mismo factor de potencia.
       • La potencia de salida de un transformador ideal es igual a su potencia de entrada.
         • Qent = VP *IP *sen = VS *IS *sen = Qsal
         • Sent = VP *IP = VS *IS = Ssal
   • Transformador Real
     • La base del funcionamiento del transformador se puede derivar de la ley de Faraday
       • Eent = d / dt
       • El flujo que pasa por entre cada espira es ligeramente diferente del flujo en las otras vueltas, y depende de la posición de cada una de ellas en la bobina.
         • Flujo promedio
           • f = l / N
         • La tensión de la fuente se aplica directamente a través de las espiras de la bobina primaria del transformador.
           • f = (1/NP) ò vp(t) dt
             • Bobina primaria
               • Algunas de las líneas del flujo dejan el hierro del núcleo y pasan a través del aire.
                 • Flujo que va a través de una de las bobinas, pero no de la otra se llama flujo de dispersión
               • Flujo mutuo
               • Flujo de dsipersión
                 • f P = f M + f LP
                   • Con la división del flujo primario promedio:
                     • La ley de Faraday para el circuito reformulada:
                       • vP(t) = NP df P / dt = NP df M / dt + NP df LP / dt
                       • Tensión sobre la bobina secundaria del transformador
                         • VS(t) = NS df S / dt = NS dfM / dt + NS dfLS / dt = eS(t) + eLS(t)
                       • La tensión primaria, debido al flujo mutuo:
                         • eP (t) = NP df M / dt
                       • Tensión secundaria debido al flujo mutuo:
                         • eS (t) = NS df M / dt
               • Cuando una fuente de potencia de CA se conecta a un transformador fluye una corriente en su circuito primario
                 • Corriente necesaria para producir un flujo en el núcleo ferromagnético real.
                   • 1. La corriente de magnetización im, que es la corriente necesaria para producir el flujo en el núcleo del transformador.
                     • Componente fundamental de la corriente de magnetización retrasa la tensión aplicada al núcleo en 90°.
                   • 2. La corriente de pérdidas en el núcleo ih+e, que es la corriente necesaria para compensar las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas.
                     • Las corrientes parásitas en el núcleo son proporcionales a df /dt.
                       • Las corrientes parásitas son las más grandes cuando el flujo en el núcleo está pasando a través de 0 Wb
                     • Pérdida por histéresis es no lineal en alto grado, pero también es la más grande mientras el flujo en el núcleo pasa por 0.
                       • Las pérdidas se explican con cualquier modelo fiable de comportamiento de transformadores:
                         • 1. Pérdidas (FR) en el cobre. Pérdidas por resistencias en las bobinas primaria y secundaria del transformador. Proporcionales al cuadrado de la corriente de dichas bobinas.
                         • 2. Pérdidas de corrientes parásitas: Pérdidas por resistencia en el núcleo del transformador. Proporcionales al cuadrado de la tensión aplicada al transformador.
                         • 3. Pérdidas por histéresis: Asociadas a los reacomodamientos de los dominios magnéticos en el núcleo durante cada medio ciclo.
                         • 4. Flujo de dispersión: Estos flujos escapados producen una autoinductancia en las bobinas primaria y secundaria y los efectos de esta inductancia deben tenerse en cuenta.
                     • La suma de ambas:
                       • Corriente total en vacío, en el núcleo, se llama la corriente de excitación
                         • iex = im + ih+e
           • Para analizar circuitos prácticos que contengan transformadores:
             • Convertir el circuito entero en un circuito equivalente, con un nivel de tensión único.

2. Transformadores monofásicos. Ensayos.

   • Tensión de cortocircuito.
     • Tensión que se produce en el lado de entrada, para que estando el lado de salida del transformador en cortocircuito, circule la intensidad nominal.
       • Ensayo de cortocircuito.
         • Se pone el transformador en cortocircuito por uno de los dos arrollamientos.
           • Al otro lado se aplica una tensión reducida hasta que pase por este lado del transformador la corriente nominal
             • Se hallan constantes más importantes de los devanados: sus tensiones, resistencias, reactancias de dispersión, la reactancia de cortocircuito y las pérdidas en las bobinas incluidas las adicionales por efecto superficial
   • Regulación de tensión.
     • La forma más fácil de determinar el efecto de la impedancia y de los ángulos de fase de la intensidad circulante en la regulación de voltaje del transformador es analizar el diagrama fasorial,
       • Tensión fasorial VS se supone con un ángulo de 0°. Si se aplica la ley de tensiones de Kirchhoff al circuito equivalente, la tensión primaria se halla:
         • VP / a = VS + REQ IS + j XEQ IS
   • Ensayo de vacío.
     • Potencia absorbida por el transformador trabajando en vacío: aprox. igual a las pérdidas en el hierro. Se desprecian las pequeñas pérdidas que puede haber en el cobre.
       • Al realizar el ensayo de vacío, la intensidad que circula por el primario se cierra por la admitancia de vacío.
   • Rendimiento.
     • Los transformadores se comparan y valoran de acuerdo con su eficiencia. Se puede conocer por medio de la siguiente ecuación:
       • n = PSAL / PENT * 100 %
         • n= PSAL / ( PSAL + PPÉRDIDA ) * 100 %
           • Se aplica a motores y generadores, así como a transformadores.
       • Para calcular eficiencia de un transformador bajo carga dada, se suman las pérdidas de cada resistencia y se aplica la ecuación:
         • n = PSAL / ( PSAL + PPÉRDIDA ) * 100 %
           • Ya que la potencia es PSAL = VS * IS cos , la eficiencia puede expresarse por:
             • n = (VSIS cos S) / (PCU+PNÚCLEO+VSIScos S) * 100%

3. Transformadores Trifásicos

   • Casi todos los sistemas importantes de generación y distribución de potencia del mundo son, hoy en día, sistemas de corriente alterna trifásicos.
     • Pueden construirse de dos maneras:
       • Tomando tres transformadores monofásicos y conectándolos en un grupo trifásico.
       • Haciendo un transformador trifásico que consiste en tres juegos de devanados enrollados sobre un núcleo común.
         • Para el análisis de su circuito equivalente, se representa cada uno de los transformadores monofásicos que componen un banco trifásico por un circuito equivalente.
           • Podrá utilizarse cualquiera de los circuitos equivalentes deducidos para el caso de los monofásicos.
             • El transformador esta representado, como en el teorema de Thévenin, por su impedancia en cortocircuito en serie con su tensión en circuito abierto
             • La razón de las tensiones en circuito abierto está representada por un transformador ideal
             • Características de excitación están representadas por la admitancia en circuito abierto.
           • Circuito equivalente de un banco trifásico de transformadores puede trazarse conectando los circuitos equivalentes de las unidades de acuerdo con las conexiones del banco
       • Con el transformador trifásico suponemos que sus devanados de alta y de baja tensión se hallan conectados en estrella. Según la aplicación a que se destine un transformador, deben considerarse las posibilidades de establecer otras conexiones distintas:
         • Las combinaciones básicas forman cuatro grupos
           • Cada grupo se caracteriza en particular por el desfase que el método de conexión introduce entre las f.e.m. primarias y las homólogas secundarias.
   • Trabajo en paralelo.
     • Funcionamiento en paralelo de dos o más transformadores se produce cuando ambos se hallan unidos por sus devanados primarios y por los secundarios.
       • Los transformadores pueden acoplarse en paralelo por sus secundarios, por los primarios o bien por ambos a la vez.
         • La frecuencia será rigurosamente la misma para todos los transformadores acoplados
           • Condiciones que han de cumplirse para que el funcionamiento sea posible y se realice de modo práctico:
             • 1-Desfases secundarios respecto al primario han de ser iguales para los transformadores que hayan de acoplarse en paralelo.
             • 2.- El sentido de rotación de las fases secundarias ha de ser el mismo en todos ellos.
               • Condiciones eliminatorias
             • 3.- Las relaciones entre las tensiones de líneas han de ser idénticas.
               • Necesarias para la buena marcha de la instalación
             • 4.- Caídas de impedancia para las tensiones de cortocircuito, deben tener los mismos valores relativos para todos los transformadores
   • Transformadores de protección, de medida y autotransformadores
     • Los transformadores de medida satisfacen la necesidad primordial de aislar de los circuitos de alta tensión los aparatos o instrumentos de trabajo.
       • Transformadores de tensión convierten generalmente el voltaje de alta a 100 V en el secundario (algunas veces, a 110).
       • Los de intensidad separan también el circuito de medida del de alta tensión. Al mismo tiempo,reducen la corriente del circuito primario al valor normal de 5 A, raras veces a 1 A, en el circuito secundario
         • Las chapas se cortan a menudo de una sola pieza, sin ninguna junta magnética (a fin de reducir la corriente de excitación, causa de error en las mediciones), y las bobinas se enrollan con máquinas especiales.
       • Están montados los bobinados sobre una sola columna - primario y secundario juntos.
     • Los autotransformadores se usan para conectar dos sistemas de transmisión de tensiones diferentes, frecuentemente con un devanado terciario en triángulo.
       • Son adecuados como transformadores elevadores de centrales cuando se desea alimentar dos sistemas de transporte diferentes.
         • El autotransformador no sólo presenta menores pérdidas que el transformador normal, sino que su menor tamaño y peso permiten el transporte de potencias superiores.

Imágenes y archivos del mapa