Trabnsformadores Electricos

NOMBRE DEL TEMA: Transformadores eléctricos

TRANSFORMADORES

El transformador constituye la parte principal de una subestación eléctrica, es quizás una de las máquinas eléctricas de mayor utilidad que jamás se hayan inventado, nos permite aumentar o disminuir la tensión eléctrica en un sistema de corriente alterna, puede aíslan un circuito entre sí. El transformador es un dispositivo que permite modificar potencia eléctrica de corriente alterna con un determinado valor de tensión y corriente en otra potencia de casi el mismo valor pero, generalmente con distintos valores de tensión y corriente. Es una máquina estática de bajas pérdidas y tiene un uso muy extendido en los sistemas eléctricos de transmisión y distribución de energía eléctrica

Cuando se requiere transportar energía eléctrica, desde los centros de generación a los centros de consumo, se eleva la tensión (desde unos 15 kV hasta 132, 220 o 500 kV) y se efectúa la transmisión mediante líneas aéreas o subterráneas con menor corriente, ya que la potencia en ambos lados del trasformador es prácticamente igual, lo cual reduce las pérdidas de transmisión.

En la etapa de distribución se reduce la tensión a los valores normales (380/220 V), mediante los transformadores adecuados.

Principio de funcionamiento.

El transformador basa su principio de operación en la ley de inducción electromagnética de Faraday, es decir se basa en la operación mutua de fenómenos eléctricos y magnéticos, no contiene partes móviles y su fem3 se induce por la variación del flujo magnético. En el análisis de transformadores se utilizan algunos términos que resulta de gran importancia distinguirlos para su mejor utilización, en seguida se indican algunos de estos términos [1]-[3].

Primario: Se refiere al lado del transformador que recibe la energía para su excitación, pudiendo ser el lado de baja tensión o de alta tensión.

Secundario: Se refiere al lado donde se induce la fem, pudiendo ser el lado de baja tensión o de alta tensión.

Alta Tensión: Es el devanado de mayor tensión del transformador, pudiendo ser el primario en caso de un transformador reductor o el secundario en caso de un transformador elevador.

Baja Tensión: Es el devanado de menor tensión del transformador, pudiendo ser el primario en caso de un transformador elevador o el secundario en caso de un transformador reductor.

Construcción del transformador.

Las partes principales que componen un transformador son las siguientes:

1. Núcleo.

2. Devanados primario y secundario.

3. Sistema de enfriamiento y aislamiento.

4. Tanque.

5. Accesorios.

El circuito magnético o núcleo tiene como función conducir el flujo magnético generado del transformador, además de concatenar a magnéticamente los circuitos eléctricos del primario y secundario. Está formado por nominaciones de acero al alto silicio de grano orientado y pérdidas bajas, además de una alta permeabilidad magnética.

El devanado primario y secundario componen los circuitos eléctricos del transformador su función es crear un campo magnético para inducir una fuerza electromotriz en el secundario y transferir potencia eléctrica del primario y secundario de acuerdo con la ley de inducción electromagnética de Faraday.

El sistema de enfriamiento y aislamiento lo conforman materiales aislantes diversos como por ejemplo: cartón prensado, papel kraft, esmaltes, barnices y el propio aceite aislante o dieléctrico.

En la figura se puede apreciar un transformador con núcleo tipo acorazado, como se observa ambos devanados se colocan en el centro del núcleo. Éste tipo de núcleo se recomienda utilizar en transformadores de potencia con rangos altos de voltaje.

En la figura 4.3 se aprecia un transformador tipo núcleo, en donde a diferencia del anterior los devanados se colocan en cada una de las columnas del núcleo. Se recomienda utilizar en aplicaciones de baja potencia y rangos moderados de tensión.

Circuito equivalente del transformador real

En el apartado anterior vimos que con el transformador en vacío, por el bobinado primario circulaba una corriente, que descomponíamos en una IP que estaba en fase con la tensión (en este caso la fuerza electromotriz E1) que representa las pérdidas en el núcleo. Como estas pérdidas, para una frecuencia fija como se utiliza en las redes de suministro eléctrico, son función del flujo magnético elevado al cuadrado (k Φ2 máx ), y siendo el mismo proporcional a la fuerza electromotriz inducida E1, podemos colocar en un circuito equivalente una resistencia que llamaremos RP, que represente las mencionadas pérdidas, y que debe cumplir:

E 2

Pérdidas en el hierro = 1

RP

La otra componente Im, está atrasada en 90° a E1 y debe ser proporcional al flujo magnético o sea a esta fuerza electromotriz, lo cual nos lleva a representarla por una reactancia inductiva Xm tal que cumpla:

Hemos analizado las partes reales de los bobinados, y reemplazamos las mismas por resistencias y reactancias concentradas que representan a los mismos, de forma tal que teniendo en cuenta lo hasta aquí analizado podemos reemplazar el transformador real por uno ideal con el agregado por separado de sus partes reales, de acuerdo a lo que muestra en la figura

Del esquema de la figura, recorriendo el circuito primario y secundario obtenemos:

U1 = E1 + R1 I1 + j X1 I1

E2 = U2 + R2 I2 + j X2 I2

De las relaciones obtenidas para el transformador ideal, en el cual se cumple que E1 = a E2 y I21 = I2/a a I21 = I2 reemplazando obtenemos: a E2 = a U2 + a R2 I2 + j a X2 I2

U1 = a E2 + R1 I1 + j X1 I1

U1 = a U2 + a R2 I2 + j a X2 I2 + R1 I1 + j X1 I1

U1 = a U2 + a

R I + j a2

X2 I21 + R1 I1 + j X1 I1

Esta ecuación involucra el bobinado primario y secundario, con lo cual incluyendo la rama en paralelo que contempla el núcleo, podemos dibujar un circuito eléctrico equivalente, que responde a la misma.

Transformador monofásico

Básicamente está formado por un núcleo compuesto de láminas de hierro y dos bobinados, a los cuales denominaremos primario y secundario.

El bobinado primario con “N1” espiras

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