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• Jose A Ventura

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Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda” Área de Tecnología Departamento de Mecánica y Tecnología de la Producción Electrotecnia

Trasf orma dores Mono fásico s

Punto fijo, Abril 2015

ÍNDICE INTRODUCCIÓN..............................................................................................1 1. TRANSFORMADORES MONOFASICOS.................................................2 2. PRINCIPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMIENTO.....................................3 3. PARTES Y COMPONENTES.....................................................................5 4. VALORES NOMINALES............................................................................6 5. RELACIONES FUNDAMENTALES...........................................................8 6. POLARIDAD............................................................................................10 7. CIRCUITO EQUIVALENTE......................................................................11 Ensayo de circuito abierto........................................................................11 Ensayo de cortocircuito............................................................................12 Rendimiento...............................................................................................13 CONCLUSIÓN................................................................................................15 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS..............................................................16

INTRODUCCIÓN

1. TRANSFORMADORES MONOFASICOS Un transformador es un dispositivo que cambia potencia eléctrica alterna de un nivel de voltaje a potencia eléctrica alterna a otro nivel de voltaje mediante la acción de un campo magnético. Consta de dos o más bobinas de alambre conductor enrollados alrededor de un núcleo ferromagnético común. Estas bobinas no están (usualmente) conectadas en forma directa. La única conexión entre las bobinas es el flujo magnético común que se encuentra dentro del núcleo. Uno de los devanados del transformador se conecta a una fuente de energía eléctrica alterna y el segundo suministra energía eléctrica a las cargas. El devanado del transformador que se conecta a la fuente de potencia se llama devanado primario o devanado de entrada, y el devanado que se conecta a la carga se le llama devanado segundario o devanado de salida. Los transformadores de potencia se construyen de dos maneras. Un tipo de transformador consta de una pieza única de acero rectangular, laminada, con los devanados enrollados sobre dos de los lados del rectángulo. Este tipo de construcción, conocido como transformador de núcleo. El otro consta de

un núcleo laminado de tres columnas, cuyas

bobinas están enrolladas en la columna central. Este tipo de construcción se conoce como transformador acorazado, el núcleo se construye de delgadas láminas aisladas eléctricamente unas de otras para minimizar las corrientes parasitas. En un transformador acorazado, las bobinas del primario y del segundario están físicamente enrolladas una sobre la otra; la bobina de

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menor voltaje está situada en la parte interna (más cerca del núcleo). Esta disposición cumple dos objetivos: 1. Simplifica el problema del aislamiento del devanado de alta tensión desde el núcleo. 2. Resulta menor flujo disperso que en caso de disponer de dos devanados en el núcleo, separados. Los trasformadores de potencia reciben variedad de nombres, dependiendo de su utilización en los sistemas de potencia. Un transformador conectado a la salida de un generador utilizado para elevar el voltaje hasta un nivel de transmisión (110kV y mayores) a veces se denomina transformadores de unidad. El transformador situado en el otro extremo de la línea de transmisión, que reduce de los niveles de transmisión a los niveles de distribución (desde 2.3 a 34.5kV), se denomina transformador de subestación. Por último, el transformador

que reduce el voltaje de

distribución al voltaje final al que se utiliza la potencia (110, 208, 220 V, etc.) es llamado transformador de distribución. Todos estos dispositivos son, en esencia, el mismo; la única diferencia entre ellos es la utilización que se le da.

Figura N° 1 distribución de energía eléctrica 2

2. PRINCIPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMIENTO Un transformador en su forma más simple está constituido por un núcleo rectangular ferromagnético que lleva en dos de sus regiones un enrollado o devanado que constituyen los circuitos primarios y segundarios, tal y como se muestra en la figura N° 1. El funcionamiento de un transformador se fundamenta en la ley de inducción electromagnética de Faraday, donde establece cualquier cambio del entorno magnético en que se encuentra una bobina, originará un "voltaje" (una FEM inducida en la bobina), es decir, si una corriente que circula a través de una bobina es contante o variable esta genera un campo magnético, el cual hace que se induzca voltajes en los conductores y bobinas que estén cerca. El principio de funcionamiento del transformador puede plantearse de la siguiente forma: si se aplica una tensión alterna en los terminales del devanado primario circulara por este una corriente alterna, que a su vez genera un campo magnético variable, por medio del núcleo ferromagnético se hace canalizar el flujo magnético al devanado segundario generando una inducción electromagnética y así logrando la aparición del voltaje en los terminales del devanado segundario. La tensión en el devanado secundario dependerá directamente del número de espiras que tengan los devanados y de la tensión del devanado primario.

Figura N° 2 Transformador de Núcleo 3

3. PARTES Y COMPONENTES Los transformadores están compuestos de diferentes elementos. Los componentes básicos son:

Figura N° 3 Transformador de Núcleo simple El núcleo El núcleo está formado por varias chapas u hojas de metal (generalmente material ferromagnético) que están apiladas una junto a la otra, sin soldar, similar a las hojas de un libro. La función del núcleo es mantener el flujo magnético confinado dentro de él y evitar que este fluya por el aire favoreciendo las pérdidas en el núcleo y reduciendo la eficiencia. La configuración por láminas del núcleo laminado se realiza para evitar las corrientes de Foucault, que son corrientes que circulan entre láminas, indeseadas pues favorecen las perdidas. Bobinas Las bobinas son simplemente alambre generalmente de cobre enrollado en las piernas del núcleo. Según el número de espiras (vueltas) alrededor de una pierna inducirá un voltaje mayor. Se juega entonces con el 4

número de vueltas en el primario versus las del secundario. En un transformador trifásico el número de vueltas del primario y secundario debería ser igual para todas las fases. 4. VALORES NOMINALES Se entiende por valor nominal el valor que se asigna como de utilización normal de la magnitud considerada. Los valores nominales no están normalizados y son “tomados” por quien va a utilizar un equipo de cierta clase o por el fabricante a fin de especificar la capacidad normal (nominal) del equipo que fabrica a lo largo de su vida útil. Los valores nominales utilizados usualmente en Venezuela según las normas COVENIN son los dispuestos en la tabla n°1. Tabla n° 1 Valores Nominales para transformadores monofásicos Alta Tensión del Transformador *Potencial Nominal para Bajas Tensiones KVA Tomas (%) Valor nominal 2400 V o 600V y menores 7200 V (V) 4800 V Arriba Abajo Ninguna

Ninguna

5 – 50

-

-

2 x 2,5

2 x 2,5

10 – 167 250 – 500

-

-

Ninguna

Ninguna

5 – 167

2 x 2,5

2 x 2,5

5 – 167 250 – 500

-

-

Ninguna

Ninguna

2 x 2,5

2 x 2,5

5 – 50 5 – 167 250 – 500

50 – 167 250 – 500

-

12470 Tierra Y/ 7200

2 x 2,5

2 x 2,5

5 – 50

-

-

13800/23900 Y

14400

13200/ 12870/ 12540 13800/ 13200/ 12870/ 12540 13800/ 13200/ 12870/

5 – 167 250 – 500

250 – 500 50 – 100

2400 2400/4160 Y

4800 O 4800/8320 Y 7200 o 7200/12470 Y

24940 Tierra Y/ 14400

Ninguna

14400/24940 Y

Ninguna

5 – 167

-

230 – 500 5 – 167 250 – 500

5

-

-

12540 34500 tierra Y/ 19920

2 x 2,5

2 x 2,5

5 – 50

-

-

24100/ 22300/ 25 – 500 23500/ 21700 100 – 500 167 – 500 28800 2 x 2,5 2 x 2,5 25 – 167 36200/ 33500/ 333 – 500 167 – 500 167 – 500 34500 35300 32600 * Se indica la potencia nominal del transformador en baja tensión de acuerdo a los niveles de tensión del sistema. Los valores de potencia nominal (kVA) nominales son: 5, 10, 15, 25, 37.5, 50, 75, 100, 167, 250, 333 y 500, un guion entre números (-) indica que además de los valores indicados están incluidos todos los intermedios. 22900

Datos Nominales de un Transformador A fin de especificar las magnitudes eléctricas fundamentales en la que debe o será utilizado un transformador los fabricantes indican en los llamados “datos de chapa” los siguientes valores fundamentales: Valor nominal para cada bobinado: V1n/V2n indica el valor nominal de la tensión del bobinado 1 y del bobinado 2 para un transformador de dos bobinados. Relación de Transformación: V1n/V2n indica la relación de transformación n, la cual se lee como: si aplico la tensión V1n del lado primario tengo, con el transformador en vacío, una tensión V2n del lado secundario. Luego nos da la relación de transformación del transformador ideal del modelo del transformador real. Potencia nominal (Sn) en VA: Es la potencia aparente expresada en VA que determina la corriente nominal que circula por cada bobinado del transformador cuando este está bajo sus voltajes nominales en cada bobinado: Sn = Vn ·In. Corriente nominal (In) de cada bobinado: Es la corriente por los terminales del transformador correspondiente a dividir la potencia nominal entre el voltaje nominal no teniendo en cuenta la corriente por la impedancia magnetizante. In = Sn/Vn.

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Frecuencia nominal: es la frecuencia en Hz para la que ha sido diseñado el transformador. La placa característica o “chapa” de un transformador siempre debe dar por lo menos los valores antes indicados que definen como debe ser aplicado un transformador. Así entonces, a modo de ejemplo, si la chapa dice: transformador monofásico, 50Hz, 6,3/0,23 kV, 100kV A se interpreta como:  El transformador es para ser utilizado en clase 7,2kV en el primario y clase 1kV en el secundario. Su relación de transformación es: n = 6300/230  Cuando aplico 6300V en el primario en el secundario en vacío tengo 230V.  Las corrientes nominales de los bobinados primarios y secundarios son: 100000/6300 y 100000/230 Ampere respectivamente. Los datos de chapa de los grandes transformadores tienen mayor información

dando:

impedancia

de

cortocircuito,

sobreelevación

de

temperatura, diagrama de conexión, peso, clase de aislamiento, forma de enfriamiento etc.

5. RELACIONES FUNDAMENTALES La relación de transformación indica el aumento o decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, la relación entre la tensión de salida y la de entrada. La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) , según la ecuación:

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EP NP = ES N S La relación de transformación (a) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión. N P VP IS = = =a NS V S IP Dónde: (Vp) es la tensión en el devanado primario o tensión de entrada, (Vs) es la tensión en el devanado secundario o tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario o corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario o corriente de salida.

A estas relaciones la llamaremos relación de transformación, la cual puede adoptar los siguientes valores:  a > 1 La tensión aplicada es superior a la tensión en el secundario, el tipo de transformador es reductor de tensión.  a < 1 La tensión aplicada es inferior a la tensión en el secundario, el tipo de transformador es elevador de tensión.  a = 1 Las dos tensiones son iguales, y se lo utiliza para aislar tensiones en sistemas de protección o medición.  8

6. POLARIDAD La polaridad de los transformadores indica el sentido relativo instantáneo del flujo de corriente en los terminales del devanado primario con respecto a la dirección del flujo de corriente en los terminales del devanado segundario. La polaridad de un transformador monofásico puede ser aditiva o sustractiva. Polaridad Aditiva. La polaridad aditiva se da cuando en un transformador el bobinado secundario está arrollado en el mismo sentido que el bobinado primario. Esto hace que los flujos de los dos bobinados giren en el mismo sentido y se sumen. Los terminales “H1” y “X1” están cruzados. Ver diagrama.

Polaridad Sustractiva. La polaridad sustractiva se da cuando en un transformador el bobinado secundario esta arrollado en sentido opuesto al bobinado primario. Esto hace que los flujos de los dos bobinados giren en sentidos opuestos y se resten. Los terminales “H1” y “X1” están en línea. Ver diagrama.

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7. CIRCUITO EQUIVALENTE Es una representación esquemática de un transformador en el cual se pueden estudiar las características eléctricas del mismo en condiciones experimentales. Mediante

un

circuito

equivalente

es

posible

determinar

experimentalmente los valores de las resistencias e inductancias del modelo del trasformador. Una aproximación adecuada para estos valores se puede lograr con solo dos ensayos: el ensayo de circuito abierto y el ensayo de cortocircuito. Ensayo de circuito abierto En el ensayo de circuito abierto, se deja abierto el devanado segundario del transformador y el devanado primario se conecta al voltaje pleno nominal. Observe el circuito equivalente de la figura N°4, en las condiciones descritas, toda la corriente de entrada debe fluir a través de la rama de excitación del transformador. Los componentes en serie R P y XP son tan pequeñas, comparadas con RC y XM’ para ocasionar una caída significativa del voltaje que, esencialmente, todo el voltaje de entrada cae a través de la rama de excitación.

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Figura N° 4 a) modelo de transformador referido a su nivel de voltaje primario. B) modelo de transformador referido a su nivel de volta

La figura N° 5 muestra las conexiones para la prueba de circuito abierto. Se aplica el voltaje pleno al primario del transformador y se mide el voltaje, la corriente y la potencia de entrada al transformador. Con esta información es posible determinar el factor de potencia, la magnitud y el ángulo de la impedancia de excitación.

Figura N° 5 Conexión para prueba de circuito abierto del transformador.

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Ensayo de cortocircuito En el ensayo de cortocircuito los terminales del segundario del transformador se cortocircuitan y los del primario se conectan a una fuente adecuada de voltaje, como se muestra en la figura N° 6. El voltaje de entrada se ajusta hasta que la corriente de los devanados cortocircuitados sea igual a su valor nominal (asegúrese de mantener el voltaje primario en un nivel seguro. No es buena idea quemar los devanados del transformador mientras se intenta probarlo). De nuevo, se mide el voltaje, la corriente y la potencia de entrada. Puesto que el voltaje de entrada es tan pequeño durante la prueba, la corriente que fluye por la rama de excitación es despreciable. Si la corriente de excitación se ignora, toda la caída de voltaje en el transformador puede ser atribuida a los elementos de circuito en serie.

Figura N° 6 Conexión para prueba de cortocircuito.

Rendimiento Los transformadores son comparados y juzgados por su rendimiento. El rendimiento de un aparato está definida por la ecuación η=

PSal x 100 P Ent

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η=

P Sal x 100 P Ent +P Perd Estas ecuaciones se aplican a los motores, los generadores y también

a los transformadores. Los circuitos equivalentes del transformador facilitan los cálculos de eficiencia. Existen tres tipos de pérdidas en los trasformadores: 1. Perdidas en el cobre (I 2 R). estas pérdidas son causadas por la resistencia en serie del circuito equivalente. 2. Perdidas por histéresis. Estas pérdidas son causadas por la 3.

resistencia RC. Perdidas por corrientes Parasitas. Estas pérdidas son causadas por la resistencia RC.

Para calcular la eficiencia de un transformador en una carga dada, adicione las pérdidas de cada resistencia y aplique la ecuación anterior. Puesto que la potencia de salida está dada por: PSal =V S I S cos θ S La eficiencia del transformador puede ser expresada por: η=

V S I S cos θ x 100 PCu + P nucleo +V S I S cos θ

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CONCLUSIÓN

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 

Stephen Chapman, Maquinas Eléctrica, Tercera edición México McGraw

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– Hill. Principio de funcionamiento de un transformador de potencia. [Página

web

en

Línea].

Disponible

en:

http://www.unicrom.com/Tut_principio_funcionamiento_transformador_pot 

encia.asp Polaridad de un transformador eléctrico. [Página web en Línea]. Disponible en: http://www.unicrom.com/Tut_polaridad_transformador.asp

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