CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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El transformador eléctrico.




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La energía absorbida por el primario de un transformador está relacionada directamente con la energía consumida por el circuito secundario. Esto significa que un transformador no es un dispositivo que sea capaz de generar energía. sino meramente un elemento electrostático que transforma los valores de tensión y/o corriente a los valores deseados.

La intensidad de corriente circulante por el primario del transformador depende de la carga del secundario. Si suponemos un transformador con un secundario a circuito abierto, la corriente primaria (en el caso de un transformador ideal, sin pérdidas ) será igual a cero. Las pérdidas son debidas, generalmente, a la resistencia óhmica de los bobinados, dispersión del flujo magnético, etc.

Fig.: Circuito magnético e intensidad de campo magnético

Si consideramos un transformador con un secundario por el cual está circulando corriente, puede decirse que se encuentra actuando bajo condiciones de carga y en estas circunstancia su circuito primario disipará potencia. Esto equivale a expresar que, bajo condiciones de carga del secundario, aumenta la corriente o intensidad sobre el primario.

La intensidad de la corriente del secundario, provocará en todo instante un flujo magnético opuesto al que origina el primario, lo cual, de acuerdo con lo expresado por la Ley de Lenz, tenderá siempre a disminuir el flujo magnético del primario. Esto,
a su vez, reducirá la f.e.m. de autoinducción ( que ya sabemos, tiene en todo instante, sentido contrario ) circunstancia que hará circular mayor intensidad de corriente por el primario. Como se ve, el consumo sobre el circuito primario de un transformador será proporcional a la carga del secundario.
Puede decirse que prácticamente , la potencia absorbida por el secundario de un transformador es igual a la potencia consumida por el primario, o sea:

fórmula en la cual, si pasamos Ip al segundo miembro y Es al primero, puede transformarse en esta otra:

de la que deducimos que, las corrientes del primario y del secundario de un transformador son inversamente proporcionales a las respectivas tensiones. Esto significa que, si por ejemplo, un transformador entrega en su secundario una tensión igual a la mitad de la tensión aplicada al primario, la intensidad de corriente máxima que se puede extraer de dicho secundario será igual al doble de la intensidad circulante por el primario. A la inversa, si el transformador es elevador de tensión y suministra en el secundario una tensión , por ejemplo, tres veces mayor que la del primario, solo podrá suministrar una intensidad de corrientes tres veces menor que la del primario.

Tipos básicos de transformadores

Los tipos más importantes de transformadores son los siguientes: A) Transformadores de potencia, llamados también de fuerza o de energía, para el transporte y la distribución de la energía eléctrica. B) Transformadores de potencia para fines especiales: para hornos, unidades de rectificador, soldadura, etc. C) Reguladores de inducción para regulación de la tensión en los circuitos de distribución. D) Autotransformadores para la transformación de tensión dentro de un pequeño margen, para arranque de los motores de c.a., etc. E) Transformadores de instrumentos, para conectar a un circuito los instrumentos de medición. F) Transformadores para efectuar ensayos a alta tensión.

El campo de aplicaciones del transformador es muy amplio, pero en todos los casos el proceso fundamental que determina el trabajo de un transformador y también los métodos de estudio de los fenómenos que tienen lugar en el transformador son esencialmente los mismos. Por consiguiente, nos referiremos al tipo básico, es decir, el transformador de potencia o de energía, ya sea monofásico o trifásico.

Elementos esenciales de construcción de los transformadores

El transformador se compone de las siguientes partes principales: a) núcleo; b) arrollamiento (devanado o bobinas); c) tanque de aceite, si está sumergido en aceite, y el) atravesadores o pasatapas.

A. Núcleo. El núcleo del transformador es el sistema de chapas que constituyen el circui'to magnético con todos los componentes que entran en su construcción. Según el tipo de núcleo, los transformadores se clasifican en:

a) transformadores de núcleo, en los cuales los arrollamientos cubren las ramas del núcleo, y

b) transformadores acorazados, en los cuales los arrollamientos están parcialmente cubiertos por el núcleo.

Independientemente del tipo, los núcleos están constituidos siempre por chapas de acero especial, llamado de transformador, de 0,35 a 0,5 mm de espesor. Estas chapas de metal se llaman palastro. Actualmente se emplean dos grados principales de acero de transformador:

a) laminado en caliente, y

b) laminado en frío.

El último tiene mejores propiedades magnéticas en dirección del laminado, pero requiere métodos especiales de montaje o ensamblado del núcleo.

Para aislar las chapas de acero se emplea papel de 0,03 mm de espesor y barniz de aceite. El aislamiento de papel es mucho más barato que el barniz, pero sus propiedades de conducción y resistencia térmicas y mecánicas son mucho peores. Además, el aislamiento de papel ocupa mayor porcentaje de la sección transversal del apilamiento de las chapas. Debido a esto, en los transf6rmadores de gran capacidad de potencia, en que estos inconvenientes son muy importantes, se prefiere el aislamiento de barniz.

Por regla general, los núcleos de los transformadores de gran capacidad de potencia (de más de 100 kVA) se ensamblan con chapas de acero de 0,5 mm, porque esta construcción exige menos mano de obra que con chapas de 0,5 mm.

Núcleos y Formas.

El núcleo de hierro en el que ambas bobinas se arrollan no está hecho de un solo bloque, sino que es laminado, es decir, que se compone de muchas capas de hierro aisladas eléctricamente unas de otras por medio de un recubrimiento de barniz que se les da antes de unirlas. En la figura se muestra una construcción típica. La razón de que esto se diseñe así, es porque se quiere evitar la pérdida de energía por formación de corrientes de Foucault que circulan en el núcleo de hierro.

Una primera clasificación de los núcleos de los transformadores permite dividirlos en los de tipo "ventana" (a), y los de tipo "acorazado" (b):

 

Figura .-Diseños mejorados de transformadores.

En todos los casos, los núcleos se construyen apilando láminas de acero al silicio aisladas unas de otras hasta obtener la forma y dimensiones requeridas por cada diseño en particular.

El material elegido es acero al silicio a efectos de disminuir las pérdidas de carácter histerético.

A su vez; el núcleo se constituye con láminas aisladas entre sí a fin de atenuar las pérdidas calóricas originadas por las corrientes parásitas.

El paquete de chapas se sujeta por medio de pernos aislados o, en aquellos casos en que el núcleo es de reducidas dimensiones, se envuelve con cinta de algodón y se ata con alambre.

En la figura a continuación se indican las partes constitutivas de un núcleo del tipo ventana

Figura : partes constitutivas de un núcleo del tipo ventana

Figura -Construcción de un núcleo de transformador con chapas de hierro en forma de U y en forma de T

Para la construcción de transformadores se utilizan núcleos constituidos por chapas de hierro silicio que adoptan diversas formas convencionales. El tipo de chapas utilizado más frecuentemente es el que adopta la forma de E, tal como se puede apreciar en la figura 7 .

Fig. 7 - Izquierda: Forma de laminación de núcleo tipo "E" , cerrado , empleada en la construcción de transformadores.

Derecha : Forma de intercalación de las chapas a fin de reducir el entrehierro y aumentar el rendimiento magnético .

Circuito magnético con entrehierro y flujo de dispersión .

Este núcleo tiene la particularidad de aprovechar casi al máximo el flujo magnético, evitándose las pérdidas por dispersión. La forma correcta de armar un transformador , particularmente un transformador de potencia - consiste en montar las chapas, en forma invertida, una con respecto a la siguiente, según se observe en dicha figura 7 . De esta forma se evita el entrehierro o espacio de aire que tanto contribuye a disminuir la permeabilidad magnética del circuito, lo cual se traduce en una pérdida en la intensidad o densidad del campo magnético, que. en caso de unidades de potencia, resulta un inconveniente.

En este tipo de núcleo se efectúa el bobinado de primario y secundario en forma de "galleta", montándose sobre la barra central de la forma como puede observarse en la figura 8 b.

La disposición más usual y conveniente es la de disponer el primario próximo al núcleo, bobinándose sobre éste los restantes devanados. Tratándose de transformadores de potencia, la sección del núcleo es factor primordial para determinar la potencia que ha de disiparse .

Para el caso de transformadores con una disipación máxima de 300 vatios, puede calcularse la sección del núcleo de hierro necesario mediante la fórmula :


donde A es la sección en centímetros cuadrados, y 1,16 un valor constante,

Además de considerar la sección del núcleo, es necesario también tener en cuenta las dimensiones de la ventana, la superficie ocupada por los bobinados, etcétera.

Fig. 8 a - Transformadores con núcleos tipo: (a) toroidal, (b) de columnas, y (c) acorazado

Fig. 8 b - Construcción típica de un transformador de potencia .

Básicamente, un transformador son dos o más circuitos eléctricos acoplados magnéticamente mediante un flujo común, es decir, son dos o más bobinas acopladas. Cuando el transformador está formado por dos bobinas acopladas, como el de la figura 8a (a) , se llama monofásico.

Para conseguir que haya un flujo común entre las bobinas se puede utilizar un núcleo de aire, aunque resulta mucho más sencillo utilizar un núcleo de hierro u otro material ferromagnético (en este caso, el camino a través del aire también existe, aunque el flujo no es común a los dos devanados, y se llama flujo de dispersión). Para que un devanado induzca tensión en el otro, el flujo común ha de ser variable y, para ello, también ha de serlo la corriente que lo cree (con corriente continua constante no se puede inducir tensión).

Una característica del transformador es su reversibilidad, lo cual quiere decir que también se puede alimentar por el lado secundario y ceder energía al lado primario.

Siendo el transformador un aparato en el que se manifiestan fenómenos de inducción electromagnética, se comprende que en su construcción se busque que el acoplamiento entre las bobinas que lo constituyen sea lo más estrecho posible de acuerdo a las condiciones de fabricación.

 

Como consecuencia de ello, aunque para fines didácticos se indican las bobinas montadas en columnas distintas del núcleo, según se ve en la figura siguiente para transformadores "industriales", a los fines prácticos y para transformadores de potencia, los bobinados se devanan en algunas de las formas indicadas a continuación.

Los núcleos de los transformadores monofásicos y trifásicos con sus arrollamientos están representados esquemáticamente en las figuras (a) y (b) siguientes. C-C son las ramas; Y-Y, las culatas; BT y AT los arrollamientos de baja y alta tensión, respectivamente; ICy, el cilindro aislante entre los arrollamientos.

Figura (a): Núcleo de un transformador monofásico del tipo de núcleo con devanado concéntrico.

Figura (b): Núcleo de un transformador trifásico de tres ramas con devanado concéntrico.

En un transformador de muy baja capacidad de potencia el núcleo tiene tres ramas principales envueltas por los arrollamientos y dos núcleos adicionales -a los lados -sin arrollamientos (fig. siguiente).

Esta disposición permite disminuir la altura de la culata, ya que el flujo se ramifica más fácilmente, y por consiguiente también el núcleo, todo a expensas de un pequeño aumento de su longitud; esto facilita el transporte de los transformadores por raíl.

El núcleo está fijado a la culata por una junta a tope o por entrelaminación en las llamadas construcciones a tope y de interestratificación.

Con construcción a tope las ramas y la culata se ensamblan primero separadamente y luego se unen por medio de sujetadores. Esta construcción del núcleo facilita el montaje del arrollamiento dentro de las ramas, porque para ello es suficiente quitar la culata superior.

Figura -Núcleo ensamblado por interfoliado (o interestratificación).

La figura siguiente representa el núcleo de un transformador monofásico acorazado. La rama está dispuesta en el centro y las culatas a ambos lados de la rama, envolviendo parcialmente al arrollamiento. La sección transversal de las culatas es aproximadamente la mitad de la sección transversal de la rama, con lo que el flujo se ramifica en dos partes iguales. La rama tiene forma rectangular, con una relación de 1 : 2 aproximadamente. La práctica ha demostrado que los transformadores de núcleo, comparados con los acorazados, son de proyecto mucho más sencillo, permiten un montaje más fácil y facilitan el aislamiento de los arrollamientos, especialmente para alta tensión, además de ser mecánicamente más estables en cortocircuito.

Por consiguiente, actualmente en la construcción de algunos transformadores especiales de energía, como por ejemplo los de horno, sólo se adopta el tipo acorazado.

Independientemente del tipo de núcleo, el acero activo y todos los elementos de sujeción deben estar al potencial de tierra. A este fin se conectan al tanque, estando determinados el número y las posiciones de las conexiones de tierra por la construcción del núcleo.

Figura : Núcleos de transformador de tipo acorazado con arrollamientos intercalados.

 

 

 

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