Tranformadores

INTRODUCCIÓN

La invención del transformador, data del año de 1884 para ser aplicado en los sistemas de transmisión que en esa época eran de corriente directa y presentaban limitaciones técnicas y económicas. El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribución de la energía eléctrica que usaba transformadores, se puso en operación en los Estados Unidos de América. En el año de 1886 en Great Barington, Mass., en ese mismo año, al protección eléctrica se transmitió a 2000 volts en corriente alterna a una distancia de 30 kilómetros, en una línea construida en Cerchi, Italia. A partir de esta pequeñas aplicaciones iníciales, la industria eléctrica en el mundo, ha recorrido en tal forma, que en la actualidad es factor de desarrollo de los pueblos, formando parte importante en esta industria el transformador.

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

Un transformador elevador recibe la potencia eléctrica a un valor de voltaje y la entrega a un valor más elevado, en tanto que un transformador reductor recibe la potencia a un valor alto de voltaje y a la entrega a un valor bajo.

1.1 Transformadores Monofásico

Los transformadores son máquinas estáticas que se utilizan para variar los valores de tensión (V) e intensidad (I) en C.A.

Son utilizados en las líneas de transporte y distribución para elevar o reducir los valores de tensión eléctrica.

Estos transformadores se emplean generalmente en el servicio de distribución de redes aéreas, tanto en zonas residenciales como mixtas, con cargas comerciales e industria liviana.

1.1.1- Principio de funcionamiento del transformador.

El principio de funcionamiento del transformador, se puede explicar por medio del llamado transformador ideal monofásico, es decir, una máquina que se alimenta por medio de una corriente alterna monofásica.

A reserva de estudios con mayor detalle, la construcción del transformador, sustancialmente se puede decir que un transformador está constituido por un núcleo de material magnético que forma un circuito magnético cerrado, y sobre de cuyas columnas o piernas se localizados devanados, uno denominado “primario” que recibe la energía y el otro el secundario, que se cierra sobre un circuito de utilización al cual entrega la energía. Los dos devanados se encuentran eléctricamente asilado entre sí.

El voltaje en un generador eléctrico se induce, ya sea cuando una bobina se mueve a través de un campo magnético o bien cuando el campo producido en los polos en movimiento cortan una bobina estacionaria. En ambos casos, el flujo total es sustancialmente contante, pero hay un cambio en la cantidad de flujo que eslabona a la bobina. Este mismo principio es válido para el transformador, solo que en este caso las bobinas y el circuito magnético son estacionarios (no tienen movimiento), en tanto que el flujo magnético cambio continuamente.

El cambio en el flujo se puede obtener aplicando una corriente alterna en al bobina. La corriente, a través de la bobina, varía en magnitud con el tiempo, y por lo tanto, el flujo producido por esta corriente, varia también en magnitud con el tiempo.

El flujo cambiante con el tiempo que se aplica en uno de los devanados, induce un voltaje E1 (en el primario). Si se desprecia por facilidad, la caída de voltaje por resistencia del devanado primario, el valor de E1 será igual y de sentido opuesto al voltaje aplicado V1. De la ley de inducción electromagnética, se sabe que este voltaje inducido E1 en el devanado primario y también al índice de cambio del flujo en la bobina. Se tienen dos relaciones importantes.

V1 = - E1

E1 a N1 (0/T)

La mismo tiempo que el flujo cambia en al bobina primaria, también cambia en la bobina secundaria, dado que ambas bobinas se encuentran dentro del mismo medio magnético, y entonces el índice de cambio del flujo magnético en ambas bobinas es exactamente el mismo. Este cambio en el flujo inducirá un flujo E2 en la bobina secundaria que será proporcional al número de espiras en el devanado secundario N2. Si se considera que no se tiene carga conectada al circuito secundario, el voltaje inducido E2 es el voltaje que aparece en las terminales del secundario, por lo que se tienen dos relaciones adicionales.

E2 a N2 (0/T)

E2 = V2

En virtud de que armas bobinas se encuentran devanadas en el mismo circuito magnético, los factores de proporcionalidad para las ecuaciones de voltaje son iguales, de manera que si se dividen las ecuaciones para E1 y E2 se tiene:

E1 = N1

E2 N2

Además como numéricamente deben ser iguales E1 y V2 o V2 - A ecuación anterior se puede escribir como:

V1 = Ng

V2 N2

1.1.2. Partes, componentes

Este dispositivo 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 aquella 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.

1.1.3. Valores Nominales

De acuerdo con la construcción básica que hemos encontrado para un transformador, el mismo se desarrolla bobinando conductores entorno a un cierto material magnético, usualmente Fe de transformador.

Resulta obvio que las diferentes espiras que componen el bobinado deben estar aisladas entre s y a su vez estas respecto al núcleo magnético. En consecuencia las tensiones a que someto a cada bobinado resultan determinantes en la magnitud de la aislante necesaria a utilizar. Por tanto dado un transformador, este tendrá un valor máximo de tensión a ser aplicada en cada bobinado que dependerá del aislante utilizado. Un transformador que vaya a ser utilizado con tensiones no superiores a, por ejemplo, 36kV deberá tener mejor aislación que si fuera aplicado en 6kV o 220V, pero no necesitara disponer de la aislación necesaria que si fuera aplicado en 40kV o 150kV o más.

Por otra parte la aislación necesaria resulta en una magnitud determinante del costo de un transformador. No tiene el mas mínimo sentido económico utilizar un transformador con tensiones inferiores a lo que su aislación es capaz de soportar. Tampoco lo podemos utilizar con tensiones por encima de lo que su aislamiento soporta puesto que seguramente el aislamiento se perfore provocando el “quemado “del transformador.

Las mismas consideraciones son validas para la sección de los conductores utilizados, si queremos hacer circular corrientes de cientos de Ampere deberemos utilizar secciones de conductor muy superiores a que si quisiéramos utilizar corrientes de decenas de Ampere. De lo contrario las perdidas Joule provocaran una elevación tal de Temperatura en los conductores que los fundirán.

En consecuencia los transformadores se fabrican, se diseñan y luego, se utilizan para Tensiones y corrientes dadas. En principio los fabricantes pueden fabricar un transformador para tensiones o corrientes que se les especifique en un muy amplio rango. Sin embargo por razones económicas de estandarización el “mundo" se ha puesto de acuerdo, esto es a “normalizado" valores típicos de utilización de tensiones en sus redes (IEC 60071) y formas de especiación y standart de fabricación para transformadores de potencia. (IEC 60076). Interesan entonces tener claro el siguiente concepto.

Valor de CLASE de una magnitud eléctrica: valor normalizado máximo que el fabricante de un equipo asegura que la magnitud puede mantenerse permanentemente a lo largo de toda la vida útil de un equipo. En general los valores de clase se definen para las TENSIONES. Así un bobinado clase 36kV puede ser utilizado indefinidamente hasta una tensión de 36kV, por encima de ese valor el fabricante no asegura el comportamiento del equipo, es mas se debe esperar que se “queme “dependiendo del tiempo que ese superior valor de tensión haya sido aplicado. En la teoría es fácil concebir que las fuentes tengan valores constantes, pero en la realidad todas las fuentes tienen variaciones de “pocos %"en torno a su valor “normal". Por tanto en una fuente real de valor “normal" 36kV no podemos utilizar un equipo clase 36kV. Por esta razón los valores “normales" de utilización deben ser inferiores a la clase. El concepto de valor “normal "de una magnitud es lo

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