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Aplicaciones prácticas de transformadores.

Tanto en materia de electricidad industrial y comercial como en radiotelefonía, telefonía, televisión y electrónica en general, encuentra el transformador un amplío campo de utilización. Puede decirse que es en elemento indispensable, especialmente en todo lo referente a corrientes alternas de baja y alta frecuencia.

Un caso significativo es el de los sistemas de potencia, en los que hace posible que la generación, transporte y consumo de la energía eléctrica se realicen a las tensiones más rentables en cada caso. El transporte resulta más económico cuanto más alta sea la tensión, ya que la corriente y la sección de los conductores son menores (intensidades pequeñas provocan menores pérdidas por efecto Joule).

Fig. - Estructura de un sistema eléctrico de potencia

Las usinas generadoras de energía eléctrica utilizan el transformador como elemento de transporte de potencia eléctrica con el mínimo posible de pérdidas. Se utilizan al efecto, grandes transformadores elevadores de tensión, trabajándose con tensiones que oscilan entre 6.000 y 250.000 voltios para el transporte a grandes distancias. También se usan transformadores reductores para bajar tales tensiones a los valores de uso, que son generalmente 220 y 380 voltios. Estos cambios de tensión se deben a que se busca reducir las pérdidas de potencia en las líneas de transmisión por efecto de calentamiento en la resistencia eléctrica propia de las mismas , que son menores cuando el transporte se hace con tensiones elevadas y menor corriente .

El transporte de corriente eléctrica, desde donde se produce hasta donde se utiliza, conlleva unas pérdidas energéticas originadas por efecto Joule en los cables conductores. En concreto, la potencia disipada en un conductor de resistencia R, por el que circula una corriente alterna de intensidad Ie, es: P= Ie²· R

Si se quieren reducir las pérdidas energéticas, puede elegirse entre dos opciones: disminuir la resistencia del conductor que transporta la corriente, o disminuir la intensidad que circula por el mismo.

La primera opción se consigue, o bien cambiando el material constructivo de las líneas (solución difícil, ya que esto representa utilizar materiales más conductores y por tanto aumento de los costes), o aumentar la sección del conductor, lo que implica también un aumento del coste de la instalación, al aumentar la cantidad de metal a utilizar y ser mayor el peso que tendrían que soportar las torres metálicas o postes de suspensión.

La segunda opción, disminuir la intensidad que circula por el conductor, puede conseguirse aumentando la diferencia de potencial en las líneas de conducción, ya que la potencia que transporta una corriente eléctrica es: P = V · I, de modo que para cierto valor de potencia, cuanto mayor sea la tensión V más pequeña será la intensidad, consiguiéndose una disminución de la potencia disipada.

El hecho de disminuir la intensidad obliga a realizar el transporte de corriente a un potencial muy elevado. Una vez en el lugar de consumo, se reduce la tensión, hasta alcanzar valores normales que no resulten peligrosos.

Los generadores de corriente alterna de las centrales eléctricas suelen producir tensiones de algunos miles de voltios (25kV a lo sumo). Esta tensión no es lo suficientemente elevada para el transporte de grandes potencias (ya que con solo 25kV, para el transporte de grandes potencias serían necesarias grandes intensidades que originarían grandes pérdidas), por lo que se eleva la tensión, mediante transformadores, hasta alcanzar valores de cientos de miles de voltios, con lo que es posible el transporte de grandes potencias con pequeñas intensidades, es decir, pequeñas pérdidas. Una vez en el lugar del consumo, se reduce la tensión, utilizando nuevamente transformadores, hasta que alcanza los valores de tensión que se utilizan habitualmente.

Razones tecnológicas impiden que los alternadores de las centrales puedan proporcionar tensiones superiores a los 30 kV. Por ello es necesaria la transformación en las centrales de estas tensiones a las típicas de transporte, generalmente inferiores a 400 kV (transformadores elevadores). Por otro lado, los aparatos consumidores de la energía eléctrica no están diseñados para tensiones tan elevadas (por seguridad de las personas), por lo que son normales las de 110, 220 ó 380 V, aunque también hay receptores de gran potencia con tensiones nominales del orden de unos pocos kilovoltios. De nuevo se hace necesaria la reducción de la tensión mediante los llamados transformadores de distribución. Esta reducción se realiza en varias etapas, en función de los receptores y de las necesidades de la distribución.

La facilidad con que se puede modificar la tensión de una corriente alterna, sin sufrir apenas pérdidas, frente a las dificultades de hacer lo propio con corrientes continuas, fue una de las razones que impuso el uso de la corriente alterna.

Como vimos, el dispositivo que permite modificar la tensión de una corriente alterna se conoce con el nombre de transformador. El transformador es una máquina eléctrica basada en el fenómeno de inducción mutua y destinado para transformar la tensión de una corriente alterna, pero conservando la misma frecuencia. El transformador más simple consta de un núcleo de acero y de dos devanados aislados, tanto del núcleo, como uno del otro.

Fig.: Generación, transformación, transporte y consumo de energía eléctrica

Existen dos aplicaciones básicas para la utilización de los transformadores de distribución de energía eléctrica:

• Transporte de energía eléctrica: gracias a su capacidad de transformar los parámetros de tensión e intensidad, con la consiguiente reducción de las pérdidas Joule. Existirán dos transformadores, uno al principio de línea para la elevación del potencial (transformador elevador) y uno al final de línea para la reducción del mismo (transformador reductor).

• Interconexión de líneas eléctricas a diferentes niveles de tensión. Por su capacidad de transformar los niveles de tensión, los transformadores son ideales para interconectar líneas a diferente nivel de tensión dando para todas ellas una salida común.

Algunas de las designaciones más comunes para diferentes tipos de transformadores son:
• Monofásico
• Trifásico
• Con refrigeración por aire (seco)
• De aceite con refrigeración natural por aire
• De aceite con refrigeración artificial por aire (ventilación)
• De tres devanados (un devanado primario y dos secundarios por fase)
• De pararrayos (dispone de protección del aislamiento contra carga disruptiva)

El transformador también se utiliza en circuitos de baja potencia y tensión para otras aplicaciones como, por ejemplo, la igualación de impedancias de carga y fuente para tener máxima transferencia de potencia, el aislamiento de circuitos, o el aislamiento frente a la corriente continua, sin perder la continuidad de la corriente alterna. Otra aplicación es como dispositivo auxiliar de los aparatos de medida, reduciendo la tensión o corriente de un circuito para adecuarla a la que aceptan los aparatos de medida: son los llamados transformadores de medida.

También son muy usados los transformadores en soldadura eléctrica y hornos eléctricos, empleándose unidades reductoras de tensión con pocas espiras en el primario y un secundario constituido por un solo conductor de cobre de gran sección.

En materia de transformadores de audiofrecuencia, o sea, transformadores utilizados para la reproducción del sonido, la ingeniería electrónica cubre un amplio campo. El cálculo y diseño de transformadores de audio origina mayor cantidad de problemas que los que podrían presentarse en el proyecto de transformadores destinados al transporte y transformación de energía. En estos últimos, la frecuencia de trabajo es generalmente de 50 ó 60 ciclos/segundo o Hertz . En audio, en cambio, las frecuencias de uso van desde un mínimo de 35 ciclos hasta 12.000 ciclos/segundo y a veces más, por otra parte, se trabajan con señales con formas de onda complejas y variables. Desde que la conservación de la alta fidelidad de la reproducción musical depende exclusivamente de la conservación de las formas de onda a través de los circuitos de cada equipo, es natural que el problema de la construcción de audiotransformadores dependerá de muchos factores que, en principio, no son considerados en lo referente a la electricidad industrial.

En cuanto a los transformadores empleados en etapas de radiofrecuencia y frecuencia intermedia en receptores superheterodinos, transformadores de videofrecuencia en receptores de televisión, etc. etc., su construcción resulta aun más delicada, interviniendo en los cálculos problemas referentes a ancho de banda, elevada frecuencia de trabajo ( entre 450 Kc/seg. y 40 a 250 Mc/seg. ) , alta inductancia en relación al número de espiras y baja resistencia óhmica y otros factores derivados del estudio de los circuitos resonantes .

Valores nominales de un transformador de potencia

Los valores nominales de una máquina eléctrica son aquellos para los cuales ha sido diseñada. Los más importantes de un transformador diseñado para trabajar en régimen senoidal son:

- potencia nominal,
- tensión nominal de primario y secundario,
- intensidad nominal de primario y secundario,
- relación de transformación, y
- frecuencia nominal.

Al igual que en otras máquinas eléctricas, la potencia máxima que puede suministrar el transformador está limitada por la calidad de sus aislantes, que se pueden deteriorar por un exceso de tensión o por un exceso de temperatura:

- la tensión máxima del aislante fija la tensión máxima del transformador;
- la temperatura máxima del aislante, junto con la capacidad de disipación de calor del transformador,fija las pérdidas máximas que se pueden producir en su interior (pérdidas en el hierro y en el cobre).

Para una tensión determinada (pérdidas en el hierro constantes) y una sección de conductor determinada , la temperatura máxima del aislante fija una intensidad máxima en el transformador.

Mantenimiento

Las fugas de aceite son raras pero, si se detectan, deben repararse de inmediato para evitar que el nivel del líquido caiga por debajo de las partes energizadas, lo que crea la posibilidad de una descarga disruptiva o un sobrecalentamiento del tanque. Si es necesario, el transformador debe ser rellenado a su nivel de funcionamiento adecuado. Las pequeñas fugas por pequeños orificios en el metal exterior, la costura de soldadura u otros lugares, que provocan un goteo lento, se pueden reparar con un kit de reparación de epoxi duradero de por vida. Primero se debe desenergizar el transformador. Luego se aplica una barra de aceite temporal. A continuación se aplica el epoxi. Esto generalmente elimina la necesidad de una bomba de vacío para detener la fuga de aceite mientras se cura el epoxi. Las fugas más grandes pueden requerir el uso de una bomba de vacío. La razón principal para mantener el nivel y evitar la fuga de aceite es la entrada de humedad en el tanque. La humedad puede causar problemas a altos voltajes y también puede hacer que el aceite se contamine, siendo necesario retirarlo y reemplazarlo.

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