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Transformadores eléctricos Jhon Jairo Padilla A. ,PhD. Ing. Loraine Díaz Argote
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Transformadores eléctricos
Jhon Jairo Padilla A. ,PhD.Ing. Loraine Díaz Argote
¿QUÉ ES UN TRANSFORMADOR ELÉCTRICO?
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Un transformador es un dispositivo que toma una corriente eléctrica a un determinado voltaje y la transforma, a su salida, en un voltaje más conveniente (mayor o menor).
Gracias a los transformadores se puede aumentar la tensión antes de transportar la energía a grandes distancias por las líneas de alta tensión, con el fin de reducir la intensidad y con ella las pérdidas que se dan en los conductores por efecto Joule.
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El transformador es una máquina eléctrica estática que puede cambiar los valores de tensión y corriente sin alterar la frecuencia ni la potencia en alto grado.
La existencia del transformador es una de las principales razones por las cuales se emplea corriente alterna y no corriente continua en la producción, transporte distribución y consumo de la electricidad.Ellos permiten elevar y reducir este tipo de tensión.
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APLICACIONES DE LOS TRANSFORMADORES
Por medio de los transformadores se puede reducir la tensión, con el fin de poder distribuirla y consumirla en las industrias y viviendas, a valores que sean seguros para las personas que manipulan los sistemas eléctricos.
Alimentación de aparatos electrónicos
Separar eléctricamente dos circuitos
Adaptar aparatos eléctricos a la tensión de la red
Acondicionar grandes tensiones y corrientes para poder ser medidas sin
dificultad
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CONSTRUCCIÓN DEL TRANSFORMADOR
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Las partes principales de un transformador son:
Las bobinas primarias.
Núcleo
Las bobinas secundarias.
La cubierta
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CONSTRUCCIÓN DEL TRANSFORMADOR
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Las bobinas primarias.
Las bobinas secundarias.
Se conecta a la tensión de entrada.
De ellas obtenemos la tensión de salida.
“No hay conexión eléctrica entre el bobinado primario y secundario”
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Acople de los devanados
Tipos de devanados
CONSTRUCCIÓN DEL TRANSFORMADOR
Cubierta
El ensamblaje completo de núcleo y bobina puede ir colocado en un tanque de acero. En algunos el ensamblaje completo va inmerso en aceite mineral especial, para proporcionar un medio de aislamiento. En otros casos en cubiertas a prueba de agua.
CLASIFICACIÓN DEL TRANSFORMADOR
Monofásicos Trifásicos
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Contiene bobinas aisladas para las diferentes fases, enrolladas en tres patas del núcleo, capaces de establecer flujos magnéticos desplazados 120° en tiempo y en fase.
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ElevadorReductor
Recibe energía eléctrica en un voltaje y la entrega en un voltaje mas alto.La bobina de bajo voltaje es la primaria.La bobina del primario tiene menor número de espiras
Recibe energía eléctrica en un voltaje y la entrega en un voltaje mas bajo.La bobina de alto voltaje es la primariaLa bobina del primario tiene mayor número de espiras
“ El mismo transformador puede funcionar como elevador o reductor dependiendo de la conexión de sus bobinados”
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Imágenes tomadas de:http://raavelazquezlopezdaniel.blogspot.com/2011/04/circuitos-integrados.html
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
¿Cómo consigue cambiar la tensión un transformador?
Al conectar el bobinado primario, de N1 espiras, a una tensión alterna senoidal U1, aparece una pequeña corriente por dicho bobinado que produce en el núcleo magnético un flujo variable (Ф) también de carácter senoidal. Este flujo induce una fuerza electromotriz en el secundario que dependerá del número de espiras de este.
U1 U2N1 N2
Ф
Ф12
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
¿Por dónde pasa la energía eléctrica de un bobinado a otro si no hay conexión eléctrica
entre estos?La transferencia de energía eléctrica se hace a través del campo magnético variable que aparece en el núcleo del transformador, por lo que se puede decir que un transformador aísla eléctricamente el circuito del primario del secundario.
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U1
U2
N1
N2
Ф
Ф
Inductancia mutua
Cuando se colocan dos bobinas muy cercanas entre sí, el campo electromagnético variante producido por la corriente que fluye por una bobina provocará un voltaje inducido en la segunda bobina a causa de la inductancia mutua presente entre las dos bobinas.
Inductancia mutua
Dirección de los devanados
Dirección de los devanados
El núcleo de hierro posee la forma de ventana y esta formado por numerosas chapas magnéticas de pequeño espesor, apiladas una sobre otras y aisladas entre si mediante un barniz. Así se reduce considerablemente las corrientes parasitas.
Los dos bobinados se enrollan sobre un carrete que envuelve el núcleo. El conductor usado suele se cobre aislado con barniz.Las diferentes capas de bobinados se aíslan mediante papeles especiales.
Los bobinados del primario y el secundario se aíslan mediante tejidos engrasados. 18
TRANSFORMADOR MONOFÁSICO COMERCIAL
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AUTOTRANSFORMADORES
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AUTOTRANSFORMADORES
Reducción de peso y
volumen.
Abaratamiento.
Mejor rendimiento.
Su uso se ve limitado al no aislar eléctricamente el bobinado de alta tensión con el de baja.
Ventajas
Desventajas
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Tomado de:http://www.unicrom.com/Tut_autotransformador.asp
Ejemplos de Aplicación
Ejemplos de aplicación
Ejemplos de aplicación
Carga reflejada
La carga (RL) en el secundario de un transformador se refleja en el primario a causa de la acción del transformador. La carga aparece ante la fuente en el primario como si fuera una resistencia (Rpri) con un valor determinado por la relación de vueltas y el valor real de resistencia de la carga. La resistencia Rpri se llama resistencia reflejada.
Carga reflejada
Ejemplo
Ejemplo de Aplicación Consideremos una situación práctica de todos los días para ilustrar el concepto de igualación de impedancia. Suponga que la resistencia de entrada de un receptor de televisión es de 300 ohms.Se debe conectar una antena a esta entrada mediante un cable para recibir señales de televisión. En este caso, la antena y el cable de entrada actúan como fuente, y la resistencia de entrada del receptor de televisión es la carga, como ilustra la figura.
Ejemplo de AplicaciónEs común que un sistema de antena tenga una impedancia característica de 75 ohm. Esto significa que la antena y el cable de entrada aparecen como una fuente de 75 ohm. Por tanto, si la fuente de 75ohm (antena y cable de entrada) se conecta directamente a la entrada de la televisión de 300 ohm no se suministrará potencia máxima a la entrada de este receptor y se tendrá una recepción pobre de la señal. La solución es utilizar un transformador de impedancia, conectado como se indica en la figura, para igualar la resistencia de carga de 300 ohm a la resistencia de 75 ohm de la fuente.
Potencia nominal de un transformador
Un transformador de potencia, por lo general, se clasifica en volt-amperes (VA), voltaje primario/secundario, y frecuencia de operación. Por ejemplo, una clasificación de transformador dada puede especificarse como de 2 kVA, 500/50, 60 Hz. -El valor de 2 kVA es la potencia nominal aparente. -Las cifras 500 y 50 pueden representar voltajes secundarios o primarios. -Los 60 Hz son la frecuencia de operación.
Ejemplo
La clasificación de un transformador puede resultar muy útil al seleccionar el transformador apropiado para una aplicación dada. Suponga, por ejemplo, que 50 V son el voltaje secundario.En este caso, la corriente a través de la carga es:
Por otra parte, si 500 V son el voltaje secundario, entonces:
Estas son las corrientes máximas que el secundario puede manejar en uno u otro caso.
Significado de la potencia nominal
La razón por la que la potencia nominal está en volt-amperes (potencia aparente) y no en watts (potencia real o activa) es la siguiente:
Si en el transformador la carga es puramente capacitiva o puramente inductiva, la potencia real (watts) suministrada a la carga es de cero. Sin embargo, la corriente paraVsec = 500 V y X
C = 100 ohm a 60 Hz, por ejemplo, es de
5A. Esta corriente sobrepasa la máxima que el secundario de 2 kVA puede manejar, y el transformador está en riesgo de sufrir averías. Por lo que no tiene sentido especificar la potencia en watts.
Eficiencia de un Transformador
-Recordemos que, en un transformador ideal, la potencia suministrada a la carga es igual a la potencia suministrada al primario.
-Como las condiciones no ideales provocan pérdida de potencia en el transformador, la potencia secundaria (salida) siempre es menor que la potencia en el primario (entrada).
-La eficiencia (h) de un transformador mide el porcentaje de la potencia de entrada que se suministra a la salida.
La mayoría de los transformadores de potencia tiene eficiencias de más del 95% bajo carga.
Transformadores con tomas
Aplicaciones
TRANSFORMADOR TRIFÁSICO
El de mas extensa aplicación en los sistemas de transporte y distribución de energía eléctrica dado que maneja niveles de energía elevados.
Transformador trifásico
Tres transformadores monofásicos montados en núcleo magnético común
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Los principios que rigen estos transformadores son los mismo que los de los monofásicos.
Funcionamiento
Se conectan las bobinas (primarias entre si y secundarias entres si) de tres transformadores monofásicos de las mismas características en estrella o triangulo.
TRANSFORMADOR TRIFÁSICO
Transformador trifásico
Para evitar fugas de dispersión de campo se colocan primero los bobinados de baja tensión y encima el de alta tensión
Construcción
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Banco de tres transformadores
monofásico
Único transformador
trifásico
• Núcleo de chapas magnéticas con tres columnas alineadas
• Bobinado primario y secundario en cada columna
En estaciones y centros de distribución. Se aíslan con altas bardas a su alrededor como protección debido a las altas tensiones que manejan ya su gran tamaño.
TRANSFORMADOR TRIFÁSICO
Transformador trifásico
Debido a las altas unidades con que trabaja, se produce mucho calor y esto puede dañar el aislamiento y provocar cortocircuito masivo. Por esta razón tienen un método de enfriamiento
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Circulación forzada de un
medio de enfriamiento
Convección natural
Tomado de:http://www.directindustry.es/prod/ge-digital-energy/transformadores-de-distribucion-de-tipo-padmount-trifasicos-50469-584925.html
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TRANSFORMADOR TRIFÁSICO
Mayores requerimientos de enfriamiento
Muchos transformadores en este rango están sumergidos en aceite enfriador que circula alrededor del núcleo y las bobinas. Algunos de estos aceites son muy tóxicos, como el PCB.
El aceite empleado también sirve parcialmente como aislante entre las bobinas y el núcleo, por lo cual no debe contener humedad.
El agua en el aceite, puede hacer que el aislamiento se deteriore.
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Tomado de:http://www.emagister.com/curso-energia-centros-
transformacion/transformador-trifasico-aceite-deposito-expansion
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TRANSFORMADOR TRIFÁSICO
Arreglo para tres fases
Hay tres cables que llevan la energía del generador, estos pueden ir conectados en dos configuraciones básicas.
EstrellaDelta
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CONFIGURACIONES DE LOS TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
Denominación de los terminales de un transformador trifásico
La letras mayúsculas U,V y W representan los principios de los devanados.La letras mayúsculas X,Y y Z representan los finales de los devanados.
Para los devanados primarios se antepone el numero 1 Para los devanados secundarios se antepone el numero 2
x1
x2
x3
277 V 480 V
480 V
480 V
CONFIGURACIONES DE LOS TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
Arreglo en estrella (Y)
Con esta conexión se consigue disponer de neutro, lo que permite obtener dos tensiones de distribución y la posibilidad de conectar el neutro a tierra para garantizar la seguridad de las instalaciones.
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CONFIGURACIONES DE LOS TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
Arreglo en Delta (∆)
x1
x2
x3
240 V
240 V
240 V
El sistema delta también se usa para circuitos de 480 y 600 volts, con las mismas relaciones de voltaje terminal que los sistemas de 240 Volts.
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CONFIGURACIONES DE LOS TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
Posibles conexionesYdYy
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DyDd
TENSIÓN SIMPLE o de FASE
Es la diferencia de potencial que existe en cada una de las ramas monofásicas de un sistema trifásico.
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TENSIÓN DE LÍNEA o COMPUESTA
Es la diferencia de potencial que existe entre dos conductores de línea o entre dos terminales de fase.
INTENSIDAD de FASE
Es la que circula por cada una de las ramas monofásicas de un sistema trifásico.
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INTENSIDAD de LÍNEA
Es la que circula por cada uno de los conductores de línea.
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MANTENIMIENTO DE LOS TRANSFORMADORES
Los transformadores necesitan poco cuidado y mantenimiento, debido a
su construcción simple, ruda y durable.
Es un dispositivo que no tiene partes móviles. La eficiencia promedio está
entre 97 y 98%.
Las perdidas en su operación son mínimas y en la mayoría de los casos
inadvertidas, alrededor de 2 a 3 % del insumo de fuerza
Los transformadores son, por tanto, una de las piezas eléctricas más
eficientes.
Las unidades muy grandes (transformadores trifásicos) producen mucho calor, debido a que las pérdidas aparecen como calor, y éste puede dañar el aislamiento y provocar un cortocircuito masivo si no se controla. Estos transformadores poseen un método de enfriamiento, ya sea por convección natural o por circulación forzada de un medio de enfriamiento.
Probablemente la única tarea de mantenimiento que requiera un transformador en condiciones
normales es limpiar la superficie exterior una vez al año
Las superficies de enfriamiento deben recibir atención especial, al igual que
cualquier ventilador y su sistema eléctrico.
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GRACIAS
