Condutores Eletricos

El trasformador

Consideraciones generales.

Un transformador consta de dos pares esenciales: El núcleo magnético y los devanados, estos están relacionados con otros elementos destinados a las conexiones mecánicas y eléctrica entre las distintas partes al sistema de enfriamiento, al medio de transporte y a la protección de la máquina en general. en cuanto a las disposiciones constructivas, el núcleo determina característica relevantes, de manera que se establece una diferencia fundamental en la construcción de transformadores, dependiendo de la forma del núcleo, pudiendo ser el llamado NUCLEO TIPO COLUMNAS y el NUCLEO TIPO ACORAZADO, existen otros aspectos que establecen diferencias entre tipos de transformadores, como es por ejemplo el sistema de enfriamiento, que establece la forma de disipación del calor producido en los mismos, o bien en términos de su potencia y voltaje para aplicaciones, como por ejemplo clasificar en transformadores de potencia a tipo distribución.

La construcción del núcleo.

El núcleo magnético está formado por laminaciones de acero que tienen pequeño porcentajes de silicio (alrededor del 4%) y que se denominan “laminaciones magnéticos”, estas laminaciones tienen la propiedad de tener pérdidas relativamente bajas por efecto de histéresis y de corrientes circulantes.

Están formados por un conjunto de laminaciones acomodadas en la forma y dimensiones requeridas. La razón de usar laminaciones de acero al silicio en los núcleos de las máquinas eléctricas, es que el silicio aumenta la resistividad del material y entonces hace disminuir la magnitud de las corrientes parásitas o circulantes y en consecuencia las pérdidas por este concepto.

En el caso de transformadores de gran potencia, se usan las llamadas “laminaciones de cristal orientado” cuyo espesor es de algunos milímetros y contienen entre 3% y 4% de silicio, se obtienen de material laminado en caliente, después se hace el laminado en frío, dando un tratamiento térmico final a la superficie de las mismas. Este tipo de laminación cuando se sujetan al flujo en la dirección de las laminaciones, presentan propiedades magnéticas mejores que la laminación “normal” de acero al silicio usada para otro tipo de transformadores.

Elementos de los núcleos de transformadores.

En los núcleos magnéticos de los transformadores tipo columna se distinguen dos partes principales: “las columnas” o piernas y los “yugos”. En las columnas se alojan los devanados y los yugos unen entre si la las columnas para cerrar el circuito magnético.

Debido a que las bobinas se deben montar bajo un cierto procedimiento y desmontar cuando sea necesario por trabajos de mantenimiento, los núcleos que cierran el circuito magnético, terminar al mismo nivel en la parte que está en contacto con los yugos, o bien con salientes. En ambos casos los núcleos se arman con “juegos” de laminaciones para columnas y yugos que se arman por capas de arreglos “pares” e “impares”.

Cuando se emplean laminaciones de cristal orientado, es necesario que las uniones entre yugos y columnas se realicen con cortes inclinados para evitar trayectorias transversales de las líneas de flujo respecto a tales direcciones.

Cuando se han armado los niveles a base de juegos de laminaciones colocadas en “pares” e “impares” el núcleo se sujeta usando tornillos opresores y separa por medio de los tornillos tensores.

En cuanto a los Yugos, se refiere, no estando vinculados estos con los devanados, pueden ser, entonces, rectangulares, aún cuando pueden tener también escalones para mejorar el enfriamiento.

columna se incrustan los devanados primarios y secundario de una fase. Las corrientes magnetizantes de las tres fases son distintas entre sí, debido principalmente a que el circuito magnético de las columnas externas es más largo que el correspondiente a la columna central. Este desequilibrio, tomando en cuenta que la corriente magnetizantes de las Tipos de núcleos.

Cuando se ha mencionado con anterioridad, laso núcleos para transformadores se agrupan básicamente en las siguientes categorías:

a) Tipo núcleo o de columnas.

b) Tipo acorazado.

c) Tipo núcleo o de columnas.

Existen distintos tipos de núcleos tipos columna, que está caracterizados por la posición relativa de las columnas y de los yugos.

Núcleo monofásico.

Se tienen dos columnas unidas en las partes inferior y superior por medio de un yugo, en cada una de estas columnas se encuentran incrustados la mitad del devanado primario y la mitad del devanados secundario.

Núcleo trifásico.

Se tienen tres columnas dispuestas sabor el mismo plano unidas en sus partes inferior y superior por medio de yugos. Sobre cada tres fases son distintas entre sí, debido principalmente que el circuito magnético de las columnas externas es más largo que el correspondiente a la columna central. Este desequilibrio, tomando en cuenta que la corriente de vacío es bastante baja, tiene influencia solamente para las condiciones de operación en vacío.

Tipo acorazado.

Este tipo de núcleo acorazado, tiene la ventaja con respecto al llamado tipo columna, de reducir la dispersión magnética, su uso es más común en los transformadores monofásicos. En el núcleo acorazado, los devanados se localizan sobre la columna central, y cuando se trata de transformadores pequeños, las laminaciones se hacen en troqueles. Las formas de construcción pueden ser distintas y varían de acuerdo con la potencia.

Herrajes o armadura.

Como se ha mencionado antes, los núcleos de los transformadores tienen partes que cumplen con funciones puramente mecánicas de sujeción de las laminaciones y estructuras, estas pares o elementos se conocen como “herrajes” o armadura y se complementan con componentes como fibra se vidrio o madera para protección de la sujeción de los yugos.

Los devanados de los transformadores.

Los devanados de so transformadores se pueden clasificar en baja y alta tensión, esta distinción es de tipo global y tiene importancia para los propósitos de el realización práctica de los devanados debido a que los criterios constructivos para la realización de los devanados de baja tensión, son distintos de los usados para los devanados de alta tensión.

Para los fines constructivos, no tiene ninguna importancia la función de un devanado, es decir, que sea primario o el secundario, importa solo la tensión para la cual debe ser previsto.

Otra clasificación de los devanados se puede hacer con relación a la potencia del transformador, para tal fin existen devanados para transformadores de baja potencia, por ejemplo de 1000 a 2000 VA y para transformadores de media y gran potencia. Los devanados para transformadores de pequeña potencia son los más fáciles de realizar.

En este tipo de transformadores los devanados primario y secundario son concéntricos y bobinado sobre un soporte aislante único. Por lo general, se usan conductores de cobre esmaltado, devanados en espiral y con capas sobrepuestas. Por lo general, el devanado de menor tensión se instala más cerca del núcleo interponiendo un cilindro de papel aislante y mediante separadores, se instala en forma concéntrica el devanado de tensión mayor. Los extremos de los devanados (denominados también principio y final del devanador) se protegen con aislante de forma de tubo conocido como “spaguetti”.

Devanados para transformadores de distribución.

En estos transformador, las diferencia entre las tensiones primaria y secundaria es notable, por ejemplo, los transformados para reces de distribución de 13200 volts a las tensiones de utilización de 220/127 volts debido a estas diferencias, se emplean criterios constructivo distintos a os considerados en los transformadores pequeños de baja tensión y se dividen en devanados de baja tensión y de alta tensión.

Devanados de baja tensión.

Están constituidos por lo general, de una sola espiral (algunas veces en dos o tres capas sobrepuestas), con alambres rectangular aislado. El conductor se usa generalmente para potencia pequeñas y tiene diámetros no superiores a 3 o 3.5 mm. El aislamiento de los conductores, cuando son cilíndricos, puede ser de algodón o de papel, más raramente conductor esmaltado en el caso que los transformadores que no sean enfriados por aceite.

Para transformadores de mediana y gran potencia, se recurre al uso de placa o solera de cobre aislada, el aislamiento es por lo general de papel. En el caso de que las corrientes que transporte el devanado sean elevadas ya sea por vacilidad de manipulación en la construcción o bien para reducir las corrientes parásitas, se puede construir el devanado don más de una solera o placa en paralelo.

Devanados de alta tensión.

Los devanados de alta tensión, tiene en comparación con los de baja tensión, muchos espiras, y la corriente que circula por ellos, es relativamente baja, por lo que son de conductor de cobre de sección circular con diámetro de 2.5 a 3.0 mm.

Con respecto a las características constructivas, se tienen variantes de fabricante a fabricante, hay básicamente dos tipos, el llamado “tipo bobina” formados de varias capas de condutores, estas bobinas tienen forma discoidal, estas bobinas se conectan, por lo general, en serie para dar el número total de espiras de una fase. El otro tipo des el llamado “de capas” constituido por una sola bobina con varias capas, esta bobina es de longitud equivalente a las varias bobinas discoidales que constituirían el devanado equivalente, por lo general, el número de espiras por capa en este tipo de devanado, es superior al constituido de varias bobinas discoidales.

Como aspectos generales, se puede decir que el primer tipo (bobinas discoidales), da mayor facilidad de enfriamiento e impregnarse de aceite, debido a que dispone canales de circulación más numerosos, también tiene la ventaja de que requiere de conductores de menor diámetro equivalente al otro tipo, da mayor facilidad constructiva. Tiene la desventaja de ser más tardado en su construcción.

Las bobinas discoidales se conocen también como “tipo galleta” en algunos casos, se forman cada una, de un cierto número de conductores dispuestos en capas y aisladas estas capas entre sí por papel aislante, cada bobina al terminar se “amarra” con cinta de lino o algodón para darle consistencia mecánica y posteriormente se les da un baño de barniz y se hornean a una cierta temperatura, con lo cual adquiere la rigidez mecánica necesaria. Cada bobina, está diseñada para tener una tensión no superior a 1000-1500 volts, por lo que para dar la tensión necesaria para una fase, se deben colocar varias bobinas en serie.

Posición de los devanados.

La disposición de los devanados en los transformadores, debe ser hecha de tal forma, que se concilien en la mejor forma las dos exigencias que son contrastentes entre sí, del aislamiento y de la menor dispersión del flujo. La primera requiere de la mayor separación entre devanados, en tanto que la segunda, requiere que el primario s encuentra los más cercano posible del secundario,. En la práctica, se alcanza una solución conveniente del problema con la disposición de los devanados dentro e los siguientes tipos:

 Concéntrico.

 Concéntrico doble.

 Alternado.

En el tipo concéntrico, cada uno de los devanados está distribuido a lo largo de toda la columna el devanado de tensión más baja se encuentra en al parte interna (más cercan al núcleo) y aislado del núcleo, y del de tensión más elevada, por medio de tubos aislantes (cartón baquelizado, baquelita, etc.).

En la disposición de concéntrico doble, el devanado de tensión más de baja se divide en dos mitades dispuestas respectivamente al interior y al exterior uno de otro.

En el llamado tipo alternado, los dos devanados están subdivididos cada uno en una cinta número de bobinas que están dispuestas en las columnas en forma alternada.

La consideraciones que orientan desde el punto de vista de diseño, la disposición de los devanados, son aquellos referentes al enfriamiento, el aislamiento, la reactancia de dispersión y a los esfuerzos mecánicos.

Con relación a los aislamientos, la solución más conveniente la representa el tipo concéntrico simple, porque requiere de una sola capa aislante entre los dos devanados, por lo que esta disposición es ventajosa en el caso de tensiones elevadas.

El llamado concéntrico doble tiene la prerrogativa de dar lugar a la reactancia de dispersión con valor de alrededor de la mitad de aquel relativo al concéntrico simple. El tipo alternado, en cambio, permite variar tales reactancias, repartiendo en forma distinta las posiciones de las bobinas de los dos devanados.. para los esfuerzo mecánicos son mejor las disposiciones de tipo alternado, pues permite que el transformador soporte mejor los esfuerzos mecánicos.

Construcción de los devanados.

Como se indicó anteriormente, los conductores usados para la construcción de los devanados, pueden ser de alambre circular (como un diámetro comprendida entre 0.2 y 0.4 mm) o bien solera de distintas medidas.

Según sea el tipo de las espiras de las bobinas, se pueden construir en dos formas.

 Helicoidadl contínua.

 Con bobinas separadas (discoidales).

Las bobinas helicoidales se hacen, por lo general, cuando el conductor empleado es de solera, lo único que se debe tener cuidado es en la forma del aislamiento con respecto al núcleo y eventualmente su constitución mecánica. Este tipo de construcción tiene cierto tipo de limitaciones, en cuanto al aislamiento se refiere, aún cuando se puede construir en varias capas, por lo que su práctica se limita a los devanados de baja tensión.

La construcción de bobinas discoidales (para devanados con bobinas separadas), generalmente se hace con el mismo número de espiras por bobinas y de capas se hace de manera que se limite la tensión máxima entre espiras de capas adyacentes a una valor entre 200 y 300 volts, con esto se espera que en general, y sólo en casos excepcionales, el voltaje por bobina sea cuando mucho 1000 volts entre capas separadas por papel aislante.

Con relación a al posición de los devanados, los transformadores son de dos tipos: de devanados concéntricos y devanados alternados.

Aislamiento externo de los devanados.

Los devanados primario y secundario, deben estar aislados entere sí, generalmente este aislamientos de por medio de separadores de madera, baquelita o materiales aislantes similares que además cumplan con funciones refrigerantes

Materiales electrico usados en la construcion de trasformadores

Conductores eléctricos.

Los materiales usado como conductores en los transformadores, al igual que los usados en otras máquinas eléctrica, deben ser de alta conductividad, ya que con ellos se fabrican las bobinas. Los requisitos fundamentales que deben cumplir los materiales conductores, son los siguientes:

1. La más alta conductividad posible.

2. El menor coeficiente posible de temperatura por resistencia eléctrica.

3. Una adecuada resistencia mecánica.

4. Deben ser ductibles y maleables.

5. Deben ser fácilmente soldables.

6. Tener una adecuada resistencia a la corrosión.

La resistividad o resistencia específica, al tensión disruptiva, la permitividad y la histéresis dieléctrica en adición a las propiedades dieléctricas se deben considerar también las propiedades mecánicas y su capacidad para soportar la acción de agentes químicos, el calor y otros elementos presentes durante su operación.

La temperatura y los materiales aislantes.

Uno de los factores que más afectan la vida de los aislamientos, es la temperatura de operación de las máquinas eléctricas, esta temperatura está producida principalmente por las pérdidas y en el caso específico de los transformadores, durante su operación, estas pérdidas están localizadas en los siguientes elementos principales:

El núcleo o circuito magnético, aquí las pérdidas son producidas por el efecto de histéresis y las corrientes circulantes en las laminaciones, son dependientes de la inducción, es decir, que influye el voltaje de operación.

Los devanados, aquí las pérdidas se deben principalmente al efecto joule y en menos medida por corrientes de Foucault, estas pérdidas en los devanados son dependientes de la carga en el transformador.

Se presentan también pérdidas en las uniones o conexiones que se conocen también como “puntos calientes” así como en los cambiadores de derivaciones.

Todas estas pérdidas producen calentamiento en los transformadores, y se debe elimina este calentamiento a valores que no resultan peligrosos par also aislamientos, por medio de la aplicación de distintos medios de enfriamiento.

Con el propósito de mantener en forma confiable y satisfactoria la operación de las maquinas eléctricas, el calentamiento de cada una de sus partes, se debe controlar dentro de ciertos límites previamente definidos. Las perdidas en una máquina eléctrica son importantes no tanto porque constituyan una fuente de ineficiencia, sino porque pueden representar una fuente importante de elevación de temperatura para los devanado, esta elevación de temperatura puede producir efectos en los aislamientos de los propios devanados, o bien en los aislamientos entre devanados y el núcleo, por esta razón, es siempre importante que todos los aislamientos entre devanados y el núcleo, por esta razón, es siempre importante que todos los aislamientos ese mantengan dentro de los límites de temperatura que garanticen su correcta operación, sin perder su efectividad.

Como la elevación en la temperatura depende también de la carga en las máquinas dentro de sus límites de carga o “cargabilidad” establecidos, para así respetar los límites de temperatura de su aislamientos.

Calificación de los materiales aislantes.

La clasificación de los materiales aislantes para máquinas eléctricas con relación a su estabilidad terminal, cubre básicamente siete clases de materiales aislantes que se usan por lo general y que son los siguientes:

CLASE TEMPERATURA

Y

A

E

B

F

H

C 90 oC

105 oC

120 oC

130 oC

155 oC

180 oC

Mayor a 180 oC

Una descripción breve de estos materiales se dan a continuación:

Clase Y.

Este aislmiento consiste de materiales o combinaciones de materiales, tales como algodón, seda y papel sin impregnar.

Clase A.

Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como el algodón, sed ya papel con alguna impregnación o recubrimiento o cuando se sumergen en dialécticos líquidos tales como aceite. Otros materiales o combinación de materiales que caigan dentro de estos límites de temperatura, pueden caer dentro de esta categoría.

Clase E.

Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales que por experiencia o por pruebas, pueden operar a temperaturas hasta de 5 oC, sobre el temperatura de los aislamientos Clase A.

Clase B.

Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como la única, fibra de vidrio, asbestos, etc. con algunas substancias aglutinantes, pueden haber otros materiales inorgánicos.

Clase F.

Este aislamiento consiste en materiales o combinaciones de materiales tales como mica, fibra de vidrio, asbesto, etc., con sustancias aglutinables, así como otros materiales o combinaciones de materiales no necesariamente inorgánicos.

Clase H.

Este aislamiento consiste de materiales tales como el silicón, elastómetros y combinaciones de materiales tales como la mica, la fibra de vidrio, asbestos, etc., con sustancias aglutinables como son las resinas y silicones apropiados.

Clase C.

Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como la mica, la porcelana, vidrio, cualzo con o sin aglutinantes.

Métodos de enfriamiento de transformadores de potencia.

Como ya se mencionó antes, el calor producido por las pérdidas en los transformadores afecta la vida de los aislamientos, por esta razón es importante que este calor producidos disipe de manera que se mantenga dentro de los límites tolerables por los distintos tipos de aislamiento.

La transmisión del calor tiene las etapas siguientes en so transformadores:

 Conducción a través del núcleo, bobinas y demás elementos hasta la superficie.

 Transmisión por convección en el caso de los transformadores secos.

 Para los transformadores en aceite, el calor se transmite por convección a través de este dieléctrico.

Los límites de calentamiento para los transformadores se dan a continuación:

PARTE DEL TRANSFORMADOR MODO DE ENFRIAMIENTO CLASE DE AISLAMIENTO (POR TEMPERATURA) CALENTAMIENTO oC

Devanados Por aire, natural o con ventilación rozada A

E

B

F

H

C 60

75

80

100

125

150

a) Circuito magnéticos y otras partes.

b) Sin estar e contacto con los devanados a) Los mismos valores que para los devanados.

b) Valores similares a las partes aislantes susceptibles de entrar en contacto con los devanados.

Líquidos refrigerantes y aislantes.

El calor producido por las pérdidas se transmite a través de un medio al exterior, este medio puede ser aire o bien líquido.

La transmisión del calor se hace por un medio en forma más o menos eficiente, dependiendo de los siguientes factores:

 La más volumétrica.

 El coeficiente de dilatación térmica.

 La viscosidad.

 El calor específico

 La conductividad térmica.

En condiciones geométricas y térmicas idénticas, el aceite es mejor conductor térmico que el aire, es decir resulta más eficiente para la disipación del calor.

Dignación de los métodos de enfriamiento.

Los transformadores están por lo general enfriados por aire o aceite y cualquier método de enfriamiento empleado debe ser capaz de mantener una temperatura de operación suficientemente baja y prevenir “puntos clientes” en cualquier parte del transformador. El aceite se considera uno de los mejores medios de refrigeración que tiene además buenas propiedades dieléctricas y que cumple con las siguientes funciones:

 Actúa como aislante eléctrico.

 Actúa como refrigerante.

 Protege a los aislamientos sólidos contra la humedad y el aire.

Con relación a la transferencia del calor específicamente, las formas en que se puede transferir por un transformador son las siguientes:

Radiación.

Es la emisión o absorción de ondas electromagnéticas que se desplazan a la velocidad de la luz y representa en temperaturas elevadas un mecanismo de pérdida de calor. En el caso de los transformadores, la transferencia del calor a través del tanque y los tubos radiadores hacia la atmósfera es por radiación.

La selección del método de enfriamiento de un transformador es muy importante, ya que la disipación del calor, como ya se mencionó antes, influye mucho en su tiempo de vida y capacidad de carga, así como en el área de su instalación y su costo,. De acuerdo a las normas americanas (ASA C57-1948) se han normalizado definido algunos métodos básicos de enfriamiento, mismos que se usan con la misma designación en México y son los siguientes:

1. Tipo AA.

Transformadores tipo seco con enfriamiento propio, estos transformadores no contienen aceite ni otros líquidos para enfriamiento, el aire es también el medio aislante que rodea el núcleo y las bobinas, por lo general se fabrican con capacidades inferiores a 2000 kVA y voltajes menores de 15 kV.

2. Tipo AFA.

Transformadores tipo seco con enfriamiento por aire forzado, se emplea para aumentar la potencia disponible de los tipo AA y su capacidad se basa en la posibilidad de disipación de calor por medio de ventiladores o sopladores.

3. Tipo AA/FA.

Transformadores tipo seco con enfriamiento natural y con enfriamiento por aire forzado, es básicamente un transformador tipo AA al que se le adicionan ventiladores para aumentar su capacidad de disipación de calor.

4. Tipo OA

Transformador sumergido en aceite con enfriamiento natural, en estos transformadores el aceite aislante circula por convección natural dentro de una tanque que tiene paredes lisas o corugadas o bien provistos con tubos radiadores. Esta solución se adopta para transformadores de más de 50 kVA con voltajes superiores a 15 kV.

5. Tipo OA/FA

Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento propio y con enfriamiento por aire forzado, es básicamente un transformador OA con la adición de ventiladores para aumentar la capacidad de disipación de calor en las superficies de enfriamiento.

6. Tipo OA/FOA/FOA.

Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento propio/con aceite forzado – aire forzado/con aceite forzado/aire forzado.

Con este tipo de enfriamiento se trata de incrementar el régimen de operación (carga) de transformador tipo OA por medio del empleo combinado de bombas y ventiladores. El aumento de la capacidad se hace en dos pasos: en el primero se usan la mitad de los radiadores y la mitad de las bombas con lo que se logra aumentar en 1.33 veces la capacidad del tipo OA, con el segundo paso se hace trabajar la totalidad de los radiadores y bombas con lo que se logra un aumento de 1.667 veces la capacidad del OA. Se fabrican en capacidades de 10000 kVA monofásicos 15000 kVA trifásicos.

7. Tipo FOA.

Sumergido en líquido aislante con enfriamiento por aceite forzado y de aire forzado. Estos transformadores pueden absorber cualquier carga de pico a plena capacidad ya que se usa con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando al mismo tiempo.

8. Tipo OW.

Sumergido en líquido aislante con enfriamiento por agua, en estos transformadores el agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los cuales están en contacto con el aceite aislante del transformador y se drena por gravedad o por medio de una bomba independiente, el aceite circula alrededor de los serpentines por convección natural.

Tipo FOW.

Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento de aceite forzado y con enfriadores de agua forzada. Este tipo de transformadores es prácticamente igual que el FO, sólo que el cambiador de calor es del tipo agua – aceite y se hace el enfriamiento por agua sin tener ventilador.

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