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El transformador eléctrico

La cuba

Para evitar el efecto perjudicial del medio ambiente sobre el aislamiento de los arrollamientos o bobinas y mejorar las condiciones de refrigeración del transformador, su núcleo y las bobinas montadas sobre él se sumergen dentro de un tanque o cuba llena de aceite especial para transformador. Éstos son los transformadores llamados de aceite. Los que no están sumergidos en aceite se llaman transformadores secos.

Los transformadores de grandes dimensiones llevan el conjunto del núcleo y las bobinas sumergidas en aceite, el que a su vez está contenido en un tanque denominado “cuba”.

El aceite actúa como aislante del conjunto sumergido en relación con las paredes de la cuba, a la vez que cumple las funciones de material refrigerante, valiéndose para ello de alguno de los sistemas ya vistos.

Para hacer funcionar mejor un transformador, la industria descubrió en 1929 que los bifenilos policlorados (PCBs) eran un buen aceite aislante y también servían para evitar que la bobina se sobrecalentara, ya que llevaba el calor a un sistema de refrigeración exterior.

Sin embargo, se ha determinado que los PCBs son tóxicos y causan cáncer en seres humanos y animales. Por lo que a partir de 1970 comenzó a ser preocupante el impacto de los PCB en el ambiente, principalmente por su alta persistencia, lo que condujo a adoptar un cambio de tecnología y el reemplazo de estos compuestos. 

La producción de calor que el aceite deberá evacuar proviene de las pérdidas en el cobre de los arrollamientos, por efecto Joule y de las pérdidas en el hierro del núcleo por ciclo de histéresis y corrientes parásitas.

Figura - Vista en corte de transformador típico de suministro urbano

Las marcas más nuevas de transformadores llenos de aceite han eliminado el uso de PCB en sus tanques. Los transformadores de tipo seco tienen algunas ventajas y se utilizan para reemplazar los tipos de PCB más antiguos. Los transformadores de tipo seco aumentan considerablemente la eficiencia de los sistemas eléctricos al permitir que se conduzcan voltajes superiores a 600 V, tan cerca como sea físicamente posible, del centro eléctrico de la carga. Esto reduce al mínimo el dinero gastado por pérdidas de línea y por sistemas secundarios más grandes.

No es práctico hacer esto con transformadores llenos de aceite, que deben instalarse al aire libre a una distancia segura de un edificio, o en una bóveda a prueba de fuego, que generalmente no se puede ubicar para la distribución de energía más eficiente. Aunque los cambios recientes del NEC permiten bóvedas con índices de resistencia al fuego más bajos si están protegidas con rociadores, muchos ingenieros y usuarios se oponen a instalar tuberías de agua en las salas de equipos eléctricos. Algunas salas de equipos eléctricos también contienen un sistema de distribución de emergencia, incluido el generador. Una fuga de agua o un mal funcionamiento de la cabeza del rociador podría desactivar todo el sistema eléctrico.

Un segundo tipo de aplicación, que es bastante común, es el uso de transformadores de tipo seco sobre una base de soporte.

Figura : Transformadores tipo seco: (A) gabinete abierto; (B) gabinete cerrado (Cortesía Phase-A-Matic, Inc. )

Dado que suelen ser más ligeros que un transformador de aceite comparable, se requiere una estructura de soporte más ligera.

Además, no requieren disposiciones especiales para contener el aceite en caso de fuga o incendio.

Otra área importante de uso ha sido en edificios de gran altura, lo que permite la distribución económica de energía a los distintos pisos usando voltajes de hasta 15 kV, y luego reduciéndolos al voltaje de utilización.

Dado que se prohibió el uso de transformadores askarel (o sea, nombre genérico de fluidos dieléctricos para transformadores que contienen bifenilos policlorados (PCBs)) debido a las preocupaciones ambientales planteadas por los PCB, se han desarrollado y aplicado nuevos líquidos con cualidades adecuadas de refrigeración y aislamiento para el uso de transformadores.

Se los clasifica como “menos inflamables”. Esto significa que pueden arder pero son menos combustibles que el aceite mineral, o “no inflamables”, lo que significa que no tienen un punto de ignición o punto de ignición.

Debido a que esta es una aplicación nueva para la mayoría de estos líquidos, existen pocos datos de campo históricos para determinar si existen algunas características desconocidas e indeseables que podrían desarrollarse en algunos de estos líquidos durante un período de años.

Aviso de seguridad

Tenga en cuenta que para trabajar con transformadores se necesita una formación adecuada. Hay voltajes extremadamente peligrosos presentes en las unidades energizadas. Se necesita una capacitación adecuada y procedimientos de trabajo seguros para este y otros equipos de alto voltaje relacionados para garantizar que pueda trabajar con el equipo de manera segura.

Trabajar e inspeccionar el tanque del transformador y su contenido requiere instrucciones especiales sobre su contenido y operación. Algunos de estos se mencionan aquí para informar a aquellos que deseen obtener más capacitación antes de trabajar en el equipo.

Enfriamiento

La adición de ventiladores de refrigeración aumenta la capacidad de un transformador en un 33,33 %. Esta es una forma económica de manejar picos de carga breves o sobrecargas de emergencia.

Los ventiladores se pueden proporcionar en el momento de la compra del transformador, o se pueden hacer provisiones para la futura adición de ventiladores en el campo. El enfriamiento por ventilador es generalmente económico para ser instalados en transformadores de 300 kVA y más grandes. Los sistemas automáticos de refrigeración por ventilador tienen termistores de detección de calor en cada fase de un transformador monofásico o trifásico.

Pérdidas en los Transformadores.

La mayoría de los transformadores funcionan produciendo calor, y algunos llegan a estar bastante calientes si se usan durante un largo período de tiempo. Este calor representa una pérdida de energía y significa una eficiencia de menos de 100%.

pero esto supone considerar que el rendimiento es del 100 por 100 y que no se «pierde» energía en el proceso. En la práctica hay una pérdida (cambio) inevitable de energía que reduce el rendimiento del 100 por 100.

a) Pérdidas en el cobre: se produce energía calorífica por el paso de corriente eléctrica tanto en el devanado primario como en el secundario. I²R para cada bobina .

b) Pérdidas en el hierro: calentamiento provocado por las corrientes de Foucault  que aparecen en el núcleo debido al cambio constante de magnetización en el hierro mismo.

e) Pérdida de flujo: hay una parte del flujo magnético que no llega a los devanados primario y secundario.

Por tanto, la potencia de salida es algo menor que la potencia de entrada, pero con un diseño adecuado del transformador, se puede llegar a obtener un 90 por 100 de rendimiento.

En un transformador elevador se aumenta la tensión, pero como el producto E x I  permanece constante, la intensidad de la corriente disponible debe disminuir. Por esta razón, no es necesario que el cable utilizado en el devanado secundario de un transformador elevador sea tan grueso como el cable del devanado primario

Al referirnos a la relación entre tensiones y corrientes entre primario y secundario de un transformador, expresamos que , prácticamente , la potencia del primario era igual a la del secundario. Sin embargo, sucede que muchas veces un transformador, ya sea por mala calidad del material empleado en su construcción, o por mala construcción misma, etc., no entrega en su secundario, prácticamente, toda la potencia absorbida por el primario.

Desde luego, que existen transformadores casi perfectos, capaces de producir un rendimiento de hasta un 98 %, especialmente en unidades grandes.

La porción de energía que es absorbida por el primario y no entregada al secundario, es considerada como una pérdida.

El rendimiento de un transformador puede ser expresado en tanto por ciento y, en general, la fórmula es la que sigue:

Las pérdidas en los transformadores pueden dividirse en dos grupos, a saber:

a) pérdidas en el cobre;

b) pérdidas en el hierro.

Las pérdidas en el cobre son debidas a la resistencia. óhmica presentada por el alambre, pérdidas estas que se incrementan cuanto mayor es la corriente que los atraviesa.

Fig. 5 - Pérdidas de potencia por corrientes de Foucault producidas en un núcleo magnético de una sola pieza .

Las pérdidas en el hierro (núcleo) pueden subdividirse en dos partes: las pérdidas por histéresis magnética y las pérdidas por corrientes de Foucault o corrientes parasitarias. En el primer caso son debidas a que el núcleo del transformador se encuentra ubicado dentro del campo magnético generado por el mismo y, en consecuencia, se imanta. Pero, ocurre que la corriente aplicada al transformador es alternada y, por tanto, invierte constantemente su .polaridad, variando con la misma frecuencia el sentido del campo magnético. Luego, las moléculas del material que forma el núcleo deben invertir en igual forma su sentido de orientación, lo cual requiere energía, que es tomada de la fuente que suministra la alimentación. Esto representa, por tanto, una pérdida.

Hay dos tipos de ciclos de histéresis de un material magnético:
- dinámico: se obtiene con tensión alterna y su área incluye las pérdidas por histéresis y por corrientes inducidas de Foucault, y
- estático: se obtiene con tensión continua variable y su área sólo incluye las pérdidas por histéresis.

Corrientes de Foucault

La inducción electromagnética aparece cuando hay una variación de flujo magnético generado por un imán o por una corriente eléctrica, y se induce una f.e.m. en otro circuito o en un conductor. La mayor pérdida proviene de las corrientes de Foucault. Son corrientes inducidas en el material del núcleo. Dado que el material del núcleo tiene una baja resistencia eléctrica, existen muchos lazos cerrados de corrientes altas. Esta corriente en el material del núcleo genera calor y es energía desperdiciada.

Son corrientes inducidas en el material del núcleo. Dado que el material del núcleo tiene una baja resistencia eléctrica, existen muchos bucles cerrados para corrientes altas. Esta corriente en el material del núcleo genera calor y es energía desperdiciada.

No se desean corrientes de Foucault. Son producidos por el flujo magnético que une los devanados primario y secundario. Las líneas de flujo son necesarias para la transferencia de energía eléctrica del primario al secundario. Sin embargo, también inducen voltajes en el material del núcleo. El flujo producido por las corrientes de Foucault se opone al flujo deseado que une los devanados primario y secundario. Esto significa que se hace una mayor demanda de energía en la fuente y la corriente primaria es mayor que la cantidad requerida para alimentar la carga secundaria.

La f.e.m. inducida provoca una corriente eléctrica y este efecto se utiliza en generadores, dinamos y transformadores. Sin embargo, también se puede inducir una f.e.m. en cualquier conductor que se encuentre en el campo de acción del flujo magnético, no sólo en las espiras de la bobina del secundario, sino también en el núcleo de hierro mismo del transformador, por ejemplo. Si ocurre esto, se perderá energía en el circuito secundario y, por tanto, se reducirá el rendimiento. En la figura siguiente se muestra una forma sencilla para minimizar el efecto de las corrientes de Foucault en los transformadores, que se generan por la f.e.m. inducida que aparece en el hierro, provocando un calentamiento del núcleo.

Las corrientes de Foucault no son deseadas. Son producidas por el flujo magnético que une los devanados primario y secundario. Las líneas de flujo son necesarias para la transferencia de energía eléctrica del primario al secundario. Sin embargo, también inducen voltajes en el material del núcleo. El flujo producido por las corrientes de Foucault se opone al flujo deseado que une los devanados primario y secundario. Esto significa que se hace una mayor demanda de energía en la fuente y la corriente primaria es mayor que la cantidad requerida para alimentar la carga secundaria.

Figura -Utilización de un núcleo laminado para minimizar el calentamiento debido a las corrientes de Foucault.

Para limitar las pérdidas por corrientes de Foucault en los transformadores, se suele construir el núcleo con chapas aisladas eléctricamente entre sí, con lo que se limita la posibilidad de circulación de corrientes inducidas al aumentar la resistencia eléctrica que ofrece el núcleo a este tipo de corrientes (sin alterar las propiedades magnéticas).

Haciendo el núcleo de hierro con chapas aisladas en vez de hacerlo de una sola pieza, se mantienen sus propiedades magnéticas, pero se evitan en gran medida las corrientes de Foucault debido a la gran resistencia que existe entre unas chapas y otras. Los núcleos de los transformadores se fabrican con chapas de metal, y el núcleo de una bobina de inducción  debería estar constituido por un conjunto de hilos finos de hierro en vez de ser una única barra.

En la práctica, para disminuir al máximo las pérdidas por histéresis magnética se recurre al uso de núcleos de materiales capaces de imanarse y desimanarse fácil y rápidamente, tal como el hierro silicio.

En cuanto a las pérdidas por corrientes de Foucault o corrientes parasitarias, podremos tener una idea más precisa al respecto si consideramos, la figura 5 , en la cual apreciamos un supuesto núcleo magnético macizo

Si consideramos al mismo recorrido por un determinado flujo, como éste es variable, se originarán en dicho núcleo corrientes circulares que se opondrán en todo instante a la causa que las origina. Siendo el núcleo de una sola pieza, la resistencia que ofrecerá a dichas corrientes circulares será baja, lo cual provocará el incremento de tales corrientes. Debido a su efecto contrario a la fuerza magnetizante, debilitará a esta última y, en consecuencia, provocará un incremento en la corriente que circula por el primario. Esto, en si, representa pues, una pérdida en la potencia que disipará el primario, para un correcto funcionamiento del transformador.

Para contrarrestar el efecto de estas corrientes parasitarias, es posible llegar a una solución muy interesante, basada en ofrecer máxima resistencia transversal a las mismas. Esto se consigue integrando el núcleo magnético mediante un conjunto de láminas delgadas de hierro, superpuestas una sobre la otra y aisladas entre sí mediante un baño de goma laca o barniz. En la figura 6 podemos apreciar en forma somera el efecto de reducción de las corrientes circulares. Naturalmente, que estas se producen lo mismo, pero debido a que el hierro tiene ya menor sección, el valor alcanzado por las corrientes de Foucault es sensiblemente más reducido, disminuyendo en consecuencia las pérdidas. En la práctica, los transformadores se construyen con gran número de láminas muy delgadas de hierro silicio, aisladas entre sí y fuertemente comprimidas.

Fig. 6 - Núcleo magnético laminado utilizado en los transformadores a fin de reducir las pérdidas de potencia por corrientes de Foucault .

Pérdidas por histéresis

La histéresis también juega un papel en la pérdida que presenta la operación del transformador. Estas pérdidas se deben a las propiedades del núcleo de hierro. El hierro cambia lentamente de polaridad con los cambios en la polaridad de la corriente y del campo magnético. El retraso se conoce como histéresis, o lentitud para cambiar las propiedades (de norte a sur o de sur a norte a medida que la corriente cambia de polaridad).

Observe en la figura siguiente, cómo los polos norte-sur están alineados en la pieza magnetizada y dispersos en la pieza no magnetizada entre el cambio de polo norte a sur.

Este cambio de una orientación norte-sur a una orientación sur-norte consume energía en la medida en que la estructura metálica cambia realmente con el cambio de polaridad. Las pérdidas por histéresis en los transformadores se minimizan utilizando acero al silicio, ya que cambiará su polaridad con un mínimo esfuerzo.

Pérdidas en el cobre

Las pérdidas en el cobre se deben a la resistencia del alambre de cobre en las bobinas primaria y secundaria. El alambre de gran tamaño ayuda a minimizar estas pérdidas.

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