Transformador
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Capítulo 1 |
El transformador es una máquina eléctrica estática, ya que no tiene partes móviles. Su finalidad es transferir la energía eléctrica de un circuito a otro según el principio de inducción electromagnética. Por lo general, esta transferencia energética consiste en variaciones de tensión e intensidad que se basan en el incremento o decremento de la potencia entregada respecto a la recibida.
La transformación se lleva a cabo sin ningún tipo de movimiento mecánico y con una pérdida de rendimiento mínima, lo que hace que el transformador sea una máquina eléctrica muy útil y rentable.
En este capítulo se expondrán diversas nociones básicas relacionadas con los transformadores. Por ejemplo, se conocerá el principio de funcionamiento de estas máquinas, los elementos básicos que las constituyen, los criterios de clasificación y las tipologías más importantes que existen, los montajes y las pruebas más significativas (ensayos) que se realizan para determinar las características de funcionamiento, la normativa relacionada, etc.
2. Principios de funcionamiento. ITC-BT- 48
El transformador convencional es un elemento eléctrico que está constituido por dos bobinas acopladas magnéticamente entre sí, de manera que cuando circula una corriente eléctrica por la primera bobina (primaria) se genera una inducción magnética que afecta a la segunda (secundaria), por lo que se produce una transferencia de potencia.
Transformador
2.1. Funcionalidad y principio de funcionamiento
El transformador funciona gracias al denominado principio de inducción electromagnética, siendo capaz de:
Aumentar y disminuir la tensión eléctrica recibida.
Modificar valores de frecuencia.
Equilibrar o desequilibrar circuitos eléctricos dependiendo de la aplicación o la necesidad.
Permitir el transporte del suministro eléctrico desde las centrales generadoras hasta los lugares de consumo.
Aislar circuitos.
Para comprender el funcionamiento de un transformador es fundamental conocer tanto la forma en la que se produce el fenómeno de inducción electromagnética como la manera en la que se origina la transferencia de potencia o energía.
La siguiente imagen muestra un circuito magnético básico, constituido por un núcleo de material magnético en el que se han conectado dos devanados denominados primario (entrada) y secundario (salida). Estos devanados consisten en dos circuitos eléctricos independientes:
Circuito primario. Está conectado a una fuente de alimentación de corriente alterna (Vca) y sus devanados conforman una bobina de N1 espiras (vueltas). En la corriente alterna, los electrones no se desplazan en un único sentido, ya que varían su magnitud y trayectoria unas 50 veces por segundo (frecuencia). Este tipo de corriente es la que llega a las tomas de alimentación de las viviendas.
Circuito secundario. Sus devanados conforman otra bobina de N2 espiras. Este es el circuito de salida del transformador.
Esquema de un transformador básico
Al alimentar con corriente alterna el devanado primario, circulará por el mismo una corriente alterna (I1) que producirá una fuerza magnetomotriz que provocará que se establezca un flujo magnético (Φ1) a través del núcleo.
Esquema de un transformador básico. Generación de Φ1
Al estar canalizado a través del núcleo, el flujo Φ1 induce en las espiras del devanado secundario una fuerza electromotriz (E2).
Este flujo Φ1 también afecta a las espiras del devanado primario, en las que se induce una fuerza contraelectromotriz (E1) que se opone a la tensión de alimentación. Esto último provoca un descenso en la intensidad de alimentación (I1).
Esquema de un transformador básico. Generación de E1 y E2
Si se conectara una carga (por ejemplo, una resistencia) al devanado secundario, circularía por él una intensidad I2, la cual produciría un nuevo flujo magnético (Φ2) opuesto al anterior (Φ1). Esto daría lugar a que el flujo resultante que circula a través del núcleo disminuya (se restarían, ya que tienen sentidos opuestos), lo que provocaría también una disminución de E1 (fuerza contra electromotriz) y un aumento de I1.
Esquema de un transformador básico con carga conectada al devanado secundario
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Nota |
Como la fuerza contraelectromotriz es directamente proporcional al flujo generado por el devanado primario (Φ1), al disminuir este (debido a la oposición de Φ2), se produce un aumento de la corriente I1.
El aumento de la corriente que circula por el devanado secundario (I2) provoca también un incremento de la intensidad que circula por el primario (I1). Todo ello sin que sea necesario conectar ambos devanados.
2.2. Normativa relacionada. ITC-BT-48
El Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT) constituye un conjunto de normativas que regula las condiciones de instalación, mantenimiento y explotación que deben cumplir las instalaciones de baja tensión.
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Definición |
Instalaciones de baja tensión
Según el REBT, se consideran de baja tensión aquellas instalaciones eléctricas cuyo voltaje sea menor o igual a 1000 voltios en corriente alterna o 1500 voltios en corriente continua.
El Reglamento, que se encuentra actualmente en vigor, fue aprobado por el Real Decreto 842/2002 de 2 de agosto y publicado en el BOE núm. 224 del miércoles 18 de septiembre.
El REBT está estructurado en dos partes fundamentales. La primera, corresponde a una serie de articulados (29) que establece las condiciones legales y administrativas que deben cumplir las instalaciones de baja tensión. La segunda parte, establece una serie de instrucciones (51), denominadas como ITC-BT, que establecen los requisitos técnicos de dichas instalaciones.
La ITC-BT-48 es la instrucción técnica que desarrolla las condiciones de instalación de los siguientes tipos de receptores:
Transformadores y autotransformadores.
Reactancias y rectificadores.
Condensadores.
A continuación se desarrollará la ITC-BT-48, cuyo texto ha sido extraído del Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (Real Decreto 842/2002).
Objeto y campo de aplicación
El objeto de la presente instrucción es determinar los requisitos de instalación de transformadores, autotransformadores, reactancias, rectificadores y condensadores.
Los receptores objeto de esta instrucción cumplirán los requisitos de las directivas europeas aplicables conforme a lo establecido en el artículo 6 del Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión.
Condiciones generales de instalación
La instalación de los receptores incluidos en la ITC-BT-48 satisfará, según los casos, las especificaciones aplicables a los locales (o emplazamientos) donde haya que realizarse.
Las conexiones de estos receptores se realizarán con los elementos de conexión adecuados a los materiales a unir; es decir, en el caso de bobinados de aluminio, con piezas de conexión bimetálicas.
Estos receptores serán instalados de forma que dispongan de ventilación suficiente para su refrigeración correcta.
Transformadores y autotransformadores
Los transformadores que puedan estar al alcance de personas no especializadas estarán construidos o situados de manera que sus arrollamientos y elementos bajo tensión, si esta es superior a 50 V, sean inaccesibles.
Los transformadores en instalación fija no se montarán directamente sobre partes combustibles de un edificio; y cuando sea necesario instalarlos próximos a las mismas, se emplearán pantallas incombustibles como elementos de separación.
La separación entre los transformadores y estas pantallas será de 1 cm cuando la potencia del transformador sea inferior o igual a 3.000 VA. Esta distancia se aumentará proporcionalmente a la potencia cuando esta sea mayor. Los transformadores en instalación fija provistos de un limitador de temperatura apropiado, cuando su potencia no exceda de 3.000 VA, podrán montarse directamente sobre partes combustibles.
El empleo de autotransformadores no será admitido si los dos circuitos conectados a ellos no tienen un aislamiento previsto para la tensión mayor.
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Nota |
El principio de funcionamiento de un autotransformador es el mismo que el de un transformador. La diferencia entre ambos radica en que, en los autotransformadores, una parte del devanado es compartido entre los circuitos primario y secundario.
En la conexión de un autotransformador a una fuente de alimentación con conductor neutro, el borne del extremo del arrollamiento común al primario y al secundario se unirá al conductor neutro.
Reactancias y rectificadores
La instalación de reactancias y rectificadores responderá a los mismos requisitos generales que los señalados para los transformadores.
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Definición |
Reactancia
Una reactancia es una bobina autoinducida que se instala en el circuito de un tubo fluorescente y que tiene la misión de producir el encendido de la misma mediante descargas de voltaje elevado.
Rectificador
Un rectificador es un dispositivo o circuito electrónico capaz de transformar una señal eléctrica alterna en continua.
En relación con los rectificadores se tendrá en cuenta, además:
Cuando los rectificadores no se opongan, de por sí, al paso accidental de la corriente alterna al circuito que alimentan en corriente continua o al retorno de esta al circuito de corriente alterna, se instalarán asociados a un dispositivo adecuado que impida esta eventualidad.
Las canalizaciones correspondientes a las corrientes de diferente naturaleza serán distintas y estarán convenientemente señalizadas o separadas entre sí.
Los circuitos correspondientes a la corriente continua se instalarán siguiendo las prescripciones que correspondan a su tensión asignada.
Reactancia
Condensadores
Los condensadores que no lleven alguna indicación de temperatura máxima admisible no se podrán utilizar en lugares donde la temperatura ambiente sea 50 ºC o mayor.
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Definición |
Condensador
Un condensador es un componente eléctrico capaz de almacenar energía en forma de campo eléctrico.
Si la carga residual de los condensadores pudiera poner en peligro a las personas, llevarán un dispositivo automático de descarga o se colocará una inscripción que advierta de este peligro. Los condensadores con dieléctrico líquido combustible cumplirán los mismos requisitos que los reóstatos y las reactancias.
Para la utilización de condensadores por encima de los 2.000 m de altitud sobre el nivel del mar deberán tomarse precauciones de acuerdo con el fabricante, según especifica la Norma UNE-EN 60.831 -1.
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Nota |
La Norma UNE (Unificación de Normativas Españolas) constituye un conjunto de normas de carácter tecnológico creadas por las comisiones Técnicas de Normalización. Son actualizadas periódicamente y el REBT hace referencia a algunas de ellas.
Los condensadores deberán estar adecuadamente protegidos cuando se vayan a utilizar con sobreintensidades superiores a 1,3 veces la intensidad correspondiente a la tensión asignada a frecuencia de red, excluidos los transitorios.
Los aparatos de mando y protección de los condensadores deberán soportar en régimen permanente de 1,5 a 1,8 veces la intensidad nominal asignada del condensador, a fin de tener en cuenta los armónicos y las tolerancias sobre las capacidades.
Protección de los transformadores contra sobreintensidad
Todo transformador estará protegido por un dispositivo de corte por sobreintensidad u otro sistema equivalente. Este dispositivo estará de acuerdo con las características que figuran en la placa del transformador y con la utilización del mismo.
Relé de protección de un transformador
La relación o razón de transformación de un transformador ideal (m) es un valor numérico que se calcula dividiendo el número de espiras del devanado primario (N1) entre las del secundario (N2):
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Definición |
Transformador ideal
El transformador ideal es un modelo idealizado (no real) del transformador en el que no existen pérdidas (calor, entrehierro, etc.) de ningún tipo, es decir, presenta un rendimiento del 100%.
En un transformador sin carga, el resultado de este cociente coincide con la división de la tensión del devanado primario entre la del secundario, por lo que se verificaría la siguiente expresión:
Otra manera de calcular la relación de transformación consiste en dividir la intensidad nominal del devanado secundario (I2) entre la del primario (I1):
Esquema de un transformador ideal
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Aplicación práctica |
Calcular la tensión de salida (en el devanado secundario) de un transformador ideal monofásico cuyo número de espiras en el devanado secundario es el triple respecto a la que presenta el primario. La tensión en el primario es conocida, siendo su valor de 230 V.
SOLUCIÓN
Sabiendo que el número de espiras del devanado secundario (N2) es tres veces superior al que presenta el primario (N1), es fácil calcular la relación de transformación del transformador:
N1 / N2 = 1 / 3
m = N1 / N2
m = 0,33
Conociendo la relación de transformación (m) y la tensión de alimentación (E1), se puede calcular el valor de la tensión de salida (E2):
m = E1 / E2
0.33 = 230 / E2
E2 = 230 / 0.33
E2 = 690 V (la tensión de salida también es tres veces superior a la tensión de alimentación).
4. Empleo de transformadores. Clasificación
En este apartado se verán las tipologías y las aplicaciones más importantes relacionadas con los transformadores.
4.1. Tipos de transformadores
Cuando se dice que un transformador es de un tipo concreto, dicha asignación se establece atendiendo a un criterio de clasificación específico. Los criterios de clasificación más importantes que se utilizan para definir la tipología de los transformadores son:
Según el nivel de la tensión entregada respecto a la recibida:
Transformadores elevadores.
Transformadores reductores.
Según el número de fases:
Monofásicos.
Trifásicos.
Según el tipo de núcleo:
De hierro.
De aire.
Según la forma del núcleo:
Acorazado.
De columnas.
Toroidal.
Según el tipo de refrigeración:
Natural.
Forzada.
Según el tipo de refrigerante:
Seco.
Aceite.
Otros transformadores:
Transformadores de medida.
Autotransformadores.
Según el nivel de la tensión entregada respecto a la recibida
Según sea el valor de la tensión de salida respecto a la entregada, los transformadores se clasifican en: elevadores y reductores.
Transformadores elevadores
Un transformador elevador aumenta, a su salida, la tensión recibida en el devanado primario, por lo que tiene menos espiras en este devanado que en el secundario.
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Recuerde |
En un transformador sin carga, la relación de transformación coincide con la división de la tensión del devanado primario entre la del secundario, por lo que se verificaría la expresión: N1 / N2 = E1 / E2
Transformadores reductores
Como su propio nombre indica, un transformador reductor es aquel que disminuye, en el secundario, la tensión recibida y, al contrario que en los elevadores, el número de espiras del circuito primario es superior al del secundario.
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Importante |
Los transformadores funcionan solo con tensiones de entrada cuyo valor varíe en el tiempo (corriente alterna).
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Aplicación práctica |
Imagine un transformador ideal cuya relación de transformación es 1/3. ¿De qué tipo de transformador se trata? Imagine que, en lugar de hacerlo en el primario, decide conectar el secundario a la red eléctrica. ¿Qué relación de transformación tendrá ahora la máquina? Razone si ha cambiado la tipología del transformador, según el nivel de tensión entregada respecto a la recibida.
SOLUCIÓN
Conociendo la relación de transformación es fácil determinar la tipología del transformador:
m = 1/3;
m = N1 / N2 = E1 / E2 = 1 / 3
A ser la tensión entregada (E2) el triple respecto a la de alimentación (E1), se trata de un transformador de tipo elevador.
En el caso de que se conecte la alimentación en el secundario, la relación entre la potencia entregada y la recibida quedaría invertida, por lo que se trataría de un transformador de tipo reductor.
Según el número de fases
Dependiendo del número de fases que presenten, los transformadores se clasifican en: monofásicos y trifásicos.
Transformadores monofásicos
Los transformadores monofásicos funcionan con corriente alterna monofásica (una fase y un neutro), por lo que únicamente están constituidos por dos circuitos (primario y secundario).
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Nota |
El modelo de transformador que se ha estudiado hasta ahora corresponde a un transformador de tipo monofásico.
Los transformadores monofásicos se suelen utilizar en instalaciones de distribución de energía eléctrica, por ejemplo, para reducir la tensión de MT (media tensión) a BT (baja tensión). También es habitual instalar transformadores monofásicos de pequeña potencia en soportes de líneas eléctricas rurales.
Transformador monofásico
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Definición |
Media tensión
Se considera media tensión, aquella cuyo valor esté comprendido entre los 1000 voltios y 36000 voltios (en corriente alterna).
Transformadores trifásicos
Cuando se desea transformar una tensión trifásica, se recurre a los denominados transformadores trifásicos. Estos transformadores pueden establecerse a partir dos sistemas claramente diferenciados:
Banco de transformadores monofásicos: este sistema consiste en instalar tres transformadores monofásicos de manera que, en conjunto, operen como si se tratara de un único transformador trifásico.
Esquema de un banco de transformadores monofásicos (transofrmador trifásico)
Transformador trifásico: está constituido por un núcleo de tres columnas, donde en cada una de ellas se arrollan los circuitos primario y el secundario de las tres fases. Este sistema es más económico, tiene un volumen menor y presenta un mayor rendimiento que el banco de transformadores monofásico.
Esquema eléctrico de un transformador trifásico
Los transformadores trifásicos se suelen utilizar en centrales de distribución eléctrica, fábricas y demás ubicaciones donde se necesite transformar una tensión eléctrica de tipo trifásico. No obstante, estos transformadores suelen construirse para potencias muy diversas, por lo que la elección de uno u otro dependerá de la aplicación a la que esté destinada su instalación.
Transformador trifásico
Según el tipo de núcleo
Según el tipo de núcleo, los transformadores se clasifican en:
Transformadores de núcleo de aire: en aplicaciones de alta frecuencia se utilizan devanados sin núcleo o con un pequeño cilindro de ferrita, el cual se ajusta dependiendo de la inductancia deseada.
Transformadores de núcleo de hierro: el núcleo de hierro de los transformadores sirve para aumentar el flujo magnético entre los devanados, cuyas líneas seguirán la trayectoria de menor reluctancia, es decir, la del propio núcleo.
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Definición |
Reluctancia
La reluctancia (R) es una magnitud que expresa la oposición magnética (paso del flujo magnético) de un material o medio.
Según la forma del núcleo
Según la forma que presente el núcleo, los transformadores se diferencian en:
Transformadores de columnas: estos transformadores tienen los devanados distribuidos por cada una de las columnas del circuito magnético.
Transformadores acorazados: estos transformadores se caracterizan por tener dos columnas exteriores en las que no se arrolla ningún devanado.
Transformadores de núcleo toroidal: estos transformadores tienen un núcleo en forma de toroide o “anillo” y presentan gran cantidad de ventajas (comparados con otros modelos), entre las que destacan: buen rendimiento, dimensiones reducidas, menor peso y nivel de ruido, facilidad de construcción, etc.
Esquema de un transformador trifásico de columnas
Esquema eléctrico de un transformador monofásico acorazado
Transformador de núcleo toroidal
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Sabía que... |
Michael Faraday (1791-1867), descubridor del fenómeno de inducción electromagnética, diseñó y construyó el primer transformador sobre un núcleo toroidal.
Según el tipo de refrigeración
La parte activa de los transformadores suele estar sumergida en aceite, la cual se dispone dentro de un compartimento en cuya superficie se instalan sistemas de refrigeración (tubos, radiadores, etc.).
Este sistema puede funcionar de dos maneras diferentes dependiendo del tipo de convección. Con la convección forzada se activa la circulación del refrigerante mediante ventiladores (si el refrigerante es el aire) o bombas (si se trata de aceite). Con la convección natural no se instala ningún sistema que accione la circulación del refrigerante.
Según el tipo de refrigerante
Las pérdidas que se producen en los bobinados, el hierro y demás elementos provocan que el transformador se caliente, por lo que es necesario establecer algún sistema de refrigeración.
Los medios refrigerantes más utilizados son el aire y el aceite mineral (el cual puede ser sustituido por otro tipo de aceite, como el de pyraleno).
La mejor conductividad térmica y el mayor calor específico del aceite respecto al aire hacen que el uso del primero esté más justificado.
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Nota |
En los transformadores refrigerados por aceite, dicho líquido cumple una doble función: actuar como aislante y refrigerante.
Transformadores de medida y autotransformadores
Los transformadores de medida están diseñados para reducir el valor de una señal eléctrica a niveles aptos para que pueda ser monitorizada por un dispositivo de medida. Existen dos tipos de transformadores de medida: los transformadores de tensión y los de corriente.
Transformadores de tensión: estos transformadores se utilizan para disminuir una tensión elevada, la cual será suministrada al dispositivo de medida correspondiente. El uso de este dispositivo es fundamental en caso que se desee medir la tensión en una línea de alta tensión, ya que los voltímetros disponibles hoy en día no superan los 500 V.
Transformadores de corriente: estos transformadores de corriente (o intensidad) están diseñados para facilitar la medición de intensidades, por lo que se utilizan para suministrar dicha información a los dispositivos de protección y/o medida correspondientes.
Por otro lado, el autotransformador es un transformador especial que presenta un devanado continuo, el cual se utiliza a su vez como primario y secundario. Esto hace que no exista aislamiento entre las tensiones de entrada y salida.
Los autotransformadores tienen la ventaja de generar menos pérdidas en los devanados y en el núcleo, lo que mejora el rendimiento frente al transformador. No obstante, el autotransformador presenta dos inconvenientes fundamentales: la generación de intensidades más altas en caso de cortocircuito y la existencia del borne común de los arrollamientos, lo que puede ser perjudicial en caso de existir mucha diferencia entre las tensiones de entrada y salida (elevada relación de transformación). Esto hace que el uso de los autotransfor-madores esté limitado a aplicaciones donde no exista mucha diferencia entre ambos voltajes.
Autotransformador
4.2. Los transformadores y sus aplicaciones
El transformador es un elemento muy importante en las instalaciones eléctricas en general, cuyo uso es fundamental, por ejemplo, en los sistemas de distribución de energía eléctrica.
Las empresas generadoras de energía eléctrica utilizan el transformador para que el transporte de potencia se lleve a cabo con un mínimo de pérdidas. Para lograr esto, se instalan grandes transformadores elevadores de tensión, los cuales pueden trabajar en un rango de tensiones muy elevado (6.000 V-250.000 V). Esto hace posible que se minimicen las pérdidas en el transporte de energía eléctrica a lo largo de grandes distancias.
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Nota |
Las pérdidas de potencia más importantes que se producen en las líneas de transmisión eléctrica se deben al calentamiento de los conductores (debido a la resistencia eléctrica de los mismos). Esto se minimiza transportando la energía con tensiones elevadas y corrientes más pequeñas.
Una vez que la energía eléctrica es transportada (a alta tensión) desde las centrales generadoras hasta el lugar de consumo, los transformadores (reductores) también son utilizados para adaptar la tensión a niveles aptos para el consumo (230 V-380 V).
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Aplicación práctica |
Un transformador monofásico ideal, cuya única finalidad sea aislar una carga de la fuente que la alimenta, ¿qué relación de transformación tendrá?
SOLUCIÓN
Como se ha comentado en el enunciado, la única finalidad de este transformador es establecer un aislamiento entre dos circuitos: primario (fuente) y secundario (carga), por lo que, a priori, no elevará ni disminuirá la tensión que reciba en el primario (serán iguales en ambos circuitos). Al tratarse de un transformador ideal, se verificará que:
m = V1 / V2
Al ser V1 = V2, se puede determinar el valor de la relación de transformación:
m = V1 / V2 = 1
m = 1
Como ya se comentó anteriormente, las transformaciones de tensión e intensidad en los sistemas de alimentación trifásicos se pueden llevar a cabo de dos maneras distintas.
La primera consiste en utilizar un transformador monofásico para cada una de las fases del sistema, constituyendo así circuitos magnéticos independientes. Este sistema no es económico, ya que requiere mucho volumen de hierro (núcleo). También es muy poco práctico, ya que se necesitarían tres unidades monofásicas idénticas para poder efectuar la transformación trifásica.
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Importante |
La corriente alterna trifásica está formada por un conjunto de tres señales sinusoidales (de corriente alterna) desfasadas entre sí 120º.
Señal trifásica
El segundo sistema consiste en utilizar un único núcleo de hierro en el que se establecen todos los devanados necesarios.
Esquema de un transformador trifásico
El núcleo de este sistema es el resultado de la unión de tres sistemas monofásicos, lo cual se explica según el siguiente proceso de simplificación:
Proceso de simplificación en la constitución del núcleo de un transformador trifásico
La columna (central) donde se unen los tres núcleos monofásicos es simplificada. Esto se debe a que dicha columna será recorrida por un flujo total (Φ) que será la suma de tres flujos sinusoidales, iguales y desfasados 120º, el cual será siempre nulo.
Elementos constitutivos de un transformador trifásico
En definitiva, un transformador trifásico está constituido por tres transformadores monofásicos, donde cada uno de sus devanados se arrolla a una de las columnas del núcleo.
Los devanados primario y secundario de todo transformador trifásico pueden conectarse según tres tipos de configuraciones: estrella (Y), triángulo (Δ) y zigzag (Z).
En la configuración en estrella se unen, en un mismo punto, los tres extremos de los devanados que presenten la misma polaridad.
Esquema de configuración en estrella
En la configuración en triángulo se unen, de manera sucesiva, los extremos de polaridad opuesta de cada uno de los devanados. Estas uniones se realizarán hasta que el circuito quede cerrado.
Esquema de configuración en triángulo
La conexión en zigzag, la cual solo se utiliza en el lado de menor tensión, consiste en dividir en dos partes idénticas los bobinados del secundario. En primer lugar, una de estas dos partes se conecta en estrella y, posteriormente, cada rama se une en serie con las bobinas invertidas de las fases contiguas, según un determinado orden.
Esquema de configuración en zigzag
En total, existen cinco tipos de conexiones que pueden establecerse en un transformador trifásico:
Triángulo (
) - Triángulo ().
Estrella (Y) - Triángulo ().
Triángulo () - Estrella (Y).
Estrella (Y) - Estrella (Y).
Estrella (Y) - Zigzag (Z).
6.1. Conexión 
-
La configuración triángulo-triángulo consiste en conectar los devanados del primario y secundario en estrella, y se utiliza cuando se desea minimizar las interferencias presentes en el sistema. Además, en el caso de existir cargas desequilibradas, el equilibrio se compensa debido a que las corrientes de la carga se reparten de manera uniforme en los devanados.
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Importante |
El correcto equilibrado de las fases de un sistema trifásico es un factor muy importante a tener en cuenta si se desea trabajar en los niveles más altos de la potencia instalada, lo que permitirá obtener el máximo rendimiento de la instalación.
Para minimizar los desequilibrios de carga es fundamental distribuir entre las tres fases cada una de las cargas monofásicas del sistema, ya que suele ser una de las causas más frecuentes que producen este tipo de desequilibrios.
Este tipo de conexión se utiliza, por lo general, en sistemas con tensiones no muy elevadas y puede emplearse con fines tanto elevadores como reductores de tensión.
Además, en caso de falla, se podría desconectar un transformador y el sistema quedaría funcionando con dos transformadores. No obstante, la capacidad del sistema quedaría reducida en más de un 40%. Esta configuración se denomina como triángulo abierto, delta abierta o configuración en V.
Esquema de la conexión -
6.2. Conexión Y -
La conexión estrella-triángulo consiste en conectar en estrella los devanados del primario, mientras que los del secundario se configuran en triángulo.
Este esquema se emplea para reducir niveles de tensión y, por razones de aislamiento, los devanados en estrella deberán conectarse al circuito de mayor voltaje.
Este tipo de configuración no se suele emplear en los sistemas de distribución de energía eléctrica.
Esquema de la conexión y -
6.3. Conexión - Y
Esta conexión consiste en configurar en estrella los devanados del secundario, mientras que los del primario se conectan en triángulo.
La conexión triángulo-estrella es de las más utilizadas, ya que se usa en los sistemas de potencia que requieran aumentar tensiones de generación o de transmisión. Esta configuración también se suele utilizar en los sistemas de distribución para alimentación de fuerza y alumbrado.
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Recuerde |
El esquema y - se utiliza para reducir niveles de tensión (al contrario que el esquema - y).
Esquema de la conexión - y
6.4. Conexión Y - Y
En la configuración estrella-estrella, los devanados primario y secundario se configuran en estrella.
Esquema de la conexión y - y
Esta conexión es poco utilizada ya que presenta dos desventajas importantes:
Si las cargas del transformador no están equilibradas, las tensiones en las fases del transformador pueden llegar a desequilibrarse considerablemente.
Los voltajes de terceros armónicos son elevados.
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Definición |
Armónicos
Los armónicos son frecuencias secundarias que “acompañan” a una señal principal o fundamental. Uno de los parámetros que define a un amónico es el orden, cuyo valor hace referencia al valor que presente su frecuencia respecto a la fundamental.
Generación de armónicos
Estos problemas se pueden resolver de la siguiente manera:
Conectando a tierra los neutros de los transformadores, especialmente el del devanado primario, lo que permitirá que los componentes de los armónicos fluyan a través del neutro. Esto también establece una trayectoria de regreso para los desequilibrios de corriente en la carga.
Añadir un devanado adicional conectado en triángulo, lo que eliminaría los componentes de tensión de la tercera armónica (de la misma manera que si se conectaran a tierra los neutros de los transformadores).
6.5. Conexión Y-Z
Con la conexión estrella-zigzag, los devanados primarios se conectan en estrella, mientras que los secundarios se establecen mediante la descomposición de cada uno de ellos en dos partes, lo que hace que pasen a ser seis bobinas conectadas tal y como se muestra en el esquema siguiente.
La conexión del devanado secundario en zigzag soluciona el problema de las cargas desequilibradas y se utiliza en transformadores reductores de distribución, cuya potencia no supere los 400 KVA.
Esquema de la conexión Y - Z
Las conexiones de los transformadores trifásicos están normalizadas según la CEI (Comisión Electrotécnica Internacional). A continuación se muestra una tabla donde se establecen las conexiones de los devanados [D: delta (triángulo), Y: estrella, Z: zigzag], la relación de transformación de cada configuración y sus correspondientes diagramas vectoriales, según lo establecido en dichas normas.
6.6. Aplicación práctica
Desea determinar la relación de transformación de un transformador trifásico configurado en estrella-triángulo (Y-). Para calcular dicho parámetro, realice el montaje que se muestra en el siguiente esquema:
Para determinar la relación de transformación (m) se basará en la lectura de los dos voltímetros (U1 y U2), ya que m = U1 / U2
a. ¿Qué relación de transformación tendrá el transformador así configurado?
b. ¿Qué valor leerá el voltímetro U2 , sabiendo que U1 marca 230 V?
Dato: El transformador tiene el mismo número de espiras en los dos devanados (n1 = n2).
Solución
La relación de transformación de un transformador trifásico cuyo tipo de conexión sea Y - , se puede determinar con la siguiente expresión:
Al ser n1 = n2, el cociente entre ambos parámetros será 1, por lo que:
Conociendo los valores de U1 y m, es fácil determinar el valor que deberá marcar el voltímetro U2:
El voltímetro U2 deberá marcar un valor próximo a los 132,79 V.
7. Acoplamiento de transformadores
La conexión o el acoplamiento de transformadores en paralelo se suele efectuar debido a dos razones fundamentales:
Para asegurar el suministro eléctrico cuando la demanda supera la capacidad existente.
Para que el suministro eléctrico no sea interrumpido, es decir, si un transformador fallara, el otro continuaría alimentado la carga.
Cuando la demanda energética disminuye temporalmente es más económico que un transformador pequeño funcione al límite de capacidad en lugar de que un transformador de mayor potencia opere a capacidad reducida. Por esto, en el caso de que la demanda energética sea muy variable, resultará más conveniente la instalación de dos o más transformadores en paralelo en lugar de usar un único transformador de gran capacidad. En estos casos, el sistema será más flexible, ya que permitirá añadir o retirar transformadores en paralelo según sea necesario.
Esquema eléctrico que representa la conexión de dos transformadores en paralelo
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Nota |
Dos o más transformadores están conectados en paralelo cuando todos sus bornes homólogos están conectados (tanto en el primario como en el secundario).
Para que dos o más transformadores acoplados en paralelo funcionen correctamente, es fundamental que cumplan las siguientes condiciones:
Todos los transformadores deben tener el mismo ángulo horario.
Todos los transformadores deben tener las mismas tensiones primarias y secundarias.
Todos los transformadores deben tener las mismas tensiones relativas de cortocircuito.
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Definición |
Ángulo o índice horario
Representa el desfase que existe entre la tensión primaria y la secundaria de un transformador. Este parámetro se determina colocando los vectores de tensión como si se trataran de agujas de un reloj y se mide en grados.
Es muy importante conocer este desfase cuando se deben conectar transformadores en paralelo, ya que todos los transformadores deberán tener el mismo índice horario, lo que evitará que se produzcan corrientes de circulación entre los transformadores cuando se efectúe el acoplamiento.
Tensión de cortocircuito
La tensión de cortocircuito hace referencia a la tensión que habría que aplicar en el devanado primario para que, estando el secundario en cortocircuito, circule por este la intensidad secundaria nominal (intensidad que circula por el secundario cuando el transformador está suministrando la potencia nominal). Este parámetro se expresa en porcentaje.
Antes de realizar el acoplamiento en paralelo de dos transformadores trifásicos, es necesario realizar el denominado ensayo de polaridad, el cual permitirá conocer los bornes que deberán conectarse a un mismo conductor, tanto en el lado del devanado primario como en el del secundario.
En este ensayo se deberán efectuar una serie de pasos:
En primer lugar se conectará el primario y el secundario del primer transformador (T1).
Posteriormente, se conectará el primario del segundo transformador (T2).
A continuación, se unirá uno de los bornes del secundario con el que, supuestamente, le corresponde.
La condición para que ambos transformadores puedan acoplarse es que el resto de los bornes del secundario del segundo transformador estén al mismo potencial que el conductor al que van a unirse. En el siguiente esquema, esta condición se traduce en que los dos voltímetros conectados a los bornes del secundario del segundo transformador marquen 0 V.
Esquema de un ensayo de polaridad
En el caso de que los voltímetros marquen tensión será necesario efectuar los siguientes pasos:
Se cambiará el borne u a la fase L2 y se volverán a efectuar las medidas. Si solo en uno de los dos voltímetros se lee una tensión nula, dicha conexión habrá sido localizada, mientras que la otra todavía no habrá sido definida.
Se volverá a cambiar el borne u, esta vez con L3 y se volverán a leer los voltímetros.
Si en ninguna de las tres mediciones anteriores se obtienen valores de tensión nulos en los voltímetros, se procederá a cambiar las conexiones del devanado primario. Las tres fases de este devanado se podrán conectar de tres maneras distintas y el número de ensayos se podrá repetir tantas veces según se modifiquen las conexiones de los devanados primario y secundario.
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Nota |
Si al efectuar todas las mediciones posibles, ninguna configuración hace que se obtengan valores de tensión nulos, se podrá confirmar que ambos transformadores no pertenecen al mismo grupo de conexiones, por lo que no podrán acoplarse en paralelo.
Intercambio de conexiones de los bornes del devanado primario
La regulación de tensión consiste en suprimir las fluctuaciones de tensión que se producen en puntos receptores de un sistema de transmisión o de distribución eléctrica.
En las redes de distribución es muy importante que la tensión se mantenga lo más constante posible. Si la tensión llegara a alcanzar valores demasiado elevados, la vida útil de los dispositivos del sistema se podría deteriorar, lo que podría dar lugar a que se produjesen daños irreparables.
En las redes de transmisión se acepta que se produzcan ciertas fluctuaciones, ya que estas redes carecen de dispositivos de utilización directa conectados a ella. No obstante, es necesario tener en cuenta que las tensiones elevadas pueden estropear los aislamientos y/o saturar los transformadores.
Sistema de suministro eléctrico
Para determinar la regulación de tensión en un transformador es necesario conocer las caídas de tensión que se producen en el interior del mismo.
La regulación de tensión de un transformador dependerá tanto del valor de las impedancias como del ángulo fase de la corriente que circula por el transformador.
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Definición |
Impedancia
La impedancia expresa la oposición que ofrece un componente al paso de la corriente eléctrica.
La manera más fácil de determinar estos parámetros consiste en efectuar un análisis del denominado diagrama fasorial, un método de representación de las intensidades y las tensiones de los circuitos de corriente alterna.
Los ensayos que se llevan a cabo en los transformadores consisten en una serie de pruebas que se realizan para verificar el buen funcionamiento de la máquina.
Los ensayos reales realizados en los transformadores de gran potencia resulta muy difícil efectuarlos sobre la propia máquina debido, fundamentalmente, a las siguientes dificultades:
La gran disipación de energía que se produce en tales ensayos.
Es casi imposible disponer de cargas lo suficientemente elevadas como para simular el funcionamiento real del transformador.
El comportamiento de un transformador bajo una condición de trabajo determinada puede predecirse con bastante exactitud si se conocen los parámetros que constituyen su circuito equivalente, los cuales pueden determinarse con unos ensayos muy sencillos. Al realizarlas sin carga, estas pruebas tienen la ventaja de no requerir un consumo energético elevado por parte del transformador.
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Definición |
Circuito equivalente de un transformador
Para el cálculo de los parámetros que caracterizan a un transformador suele recurrirse al denominado circuito equivalente, un esquema en el que se representan, de manera simplificada, los fenómenos físicos que se producen en la máquina.
Circuito equivalente de un transformador
v1: Tensión de alimentación.
R1: Resistencia equivalente del primario.
X1: Inductancia equivalente del primario.
E1: Tensión en el primario.
I1: Intensidad que circula por el primario.
N1: Espiras del primario.
V2: Tensión de salida.
R2: Resistencia equivalente del secundario.
X2: Inductancia equivalente del secundario.
E2: Tensión en el secundario.
I2: Intensidad que circula por el secundario.
N2: Espiras del secundario.
Φ: Flujo magnético que recorre el núcleo.
Para llevar a cabo un ensayo eficiente es muy recomendable seguir de manera ordenada la siguiente secuencia de acciones:
1. Establecer las características del transformador objeto del ensayo.
2. Desarrollar el objetivo del ensayo.
3. Establecer el diseño del esquema de montaje que se va a efectuar en el ensayo, calculando los parámetros que, previamente, serán necesarios.
4. Localización de los aparatos de medida necesarios para efectuar las mediciones requeridas en el ensayo, además de un autotransformador regulable para disponer de distintos valores tensión.
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Recuerde |
El autotransformador es un transformador especial que presenta un devanado continuo, el cual se utiliza, a su vez, como primario y secundario. Esto hace que no exista aislamiento entre las tensiones de entrada y de salida.
5. Efectuar el montaje de cada uno de los elementos que se precisan en el ensayo, según el esquema de montaje.
6. Realizar las mediciones necesarias, las cuales se anotarán según se lean en los aparatos de medida correspondientes.
7. Se compararán los datos obtenidos con los cálculos realizados, lo que permitirá determinar las conclusiones correspondientes.
Los dos tipos de ensayos más importantes que permitirán averiguar los parámetros del circuito equivalente del transformador son: el ensayo de cortocircuito y el de vacío. A continuación se desarrollan los objetivos y las características relacionadas con estos ensayos.
9.1. Ensayo de cortocircuito
Con el ensayo de cortocircuito se establecen las intensidades nominales en los dos devanados, lo cual se consigue aplicando una pequeña tensión al devanado primario a la vez que se cortocircuita el secundario con un amperímetro.
Esquema de montaje para el ensayo de cortocircuito
Utilizando un autotransformador regulable, y comenzando desde cero, se aplica paulatinamente tensión en el primario, la cual se va aumentando poco a poco hasta que se obtengan las intensidades nominales en ambos devanados.
La tensión aplicada en el momento en el que se alcance la intensidad nominal en el segundo devanado se denomina tensión de cortocircuito (Ucc). Esta tensión supone un valor pequeño comparada con la tensión que se le aplica al transformador cuando trabaja en carga.
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Nota |
La tensión de cortocircuito (Ucc) se expresa en % respecto a la tensión nominal y suele tener un valor comprendido entre el 4% y el 10%.
La tensión nominal de cortocircuito (ucc) se calcula con la siguiente fórmula:
Donde:
ucc: Tensión nominal de cortocircuito (V).
Ucc: Tensión de cortocircuito (V).
U1n: Tensión nominal en el primario (V).
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Sabía que... |
Las magnitudes nominales como tensiones, impedancias, inductancias, etc. de los transformadores de distribución se expresan con letras minúsculas.
En el ensayo en cortocircuito, al ser las intensidades nominales, se generan pérdidas en el cobre debido al efecto Joule las cuales se determinan con la siguiente expresión:
Donde:
Pcu: Pérdidas en el cobre (W).
R1: Resistencia del devanado primario (Ω).
I1n: Intensidad nominal en el primario (A).
R2: Resistencia del devanado primario (Ω).
I2n: Intensidad nominal en el secundario (A).
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Nota |
Si un conductor es recorrido por una corriente eléctrica, una parte de la energía de los electrones se transforma en calor debido a las colisiones de los mismos con los átomos del material, lo cual produce un incremento de temperatura en el cable. A esto se le conoce como Efecto Joule.
9.2. Aplicación práctica
Le solicitan determinar la potencia disipada en los devanados primario y secundario de un transformador, por lo que decide llevar a cabo un ensayo de cortocircuito. Una vez establecido el montaje correspondiente, comienza a elevar (comenzando en 0) la tensión en el autotransformador conectado al primario hasta que se alcanza en el secundario la intensidad nominal de funcionamiento.
Los valores que obtiene en los correspondientes aparatos de medida son los siguientes:
Amperímetro del primario (I1n): 3A.
Amperímetro del secundario (I2n): 6A.
Para determinar las resistencias de los devanados utiliza un multímetro, un dispositivo que es capaz de medir multitud de magnitudes eléctricas (resistencias, tensiones, intensidades, etc.), del cual obtiene las siguientes mediciones:
Resistencia del devanado primario (R1): 1’01Ω.
Resistencia del devanado secundario (R2): 1.65 Ω.
A partir de los parámetros obtenidos, determine la potencia disipada (W) en los devanados (cobre).
Solución
Para calcular las pérdidas o potencia disipada en el cobre se utiliza la siguiente expresión:
A continuación, se sustituye cada una de las variables por su correspondiente valor (obtenidos en las mediciones):
Las pérdidas en el cobre tienen un valor de 68,49 vatios (W).
9.3. Ensayo de rigidez
La rigidez dieléctrica se define como el voltaje por unidad de espesor que es capaz de soportar un elemento aislante sin deteriorarse, y se mide en kV/cm.
El valor de esta magnitud dependerá de las características del aislante. El voltaje que podrá soportar se calcula multiplicando el valor de la rigidez dieléctrica por el espesor del aislante.
Medidor de rigidez dieléctrica
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Importante |
Existen otros factores que pueden afectar al aislamiento de un conductor. Los más importantes son la humedad, el envejecimiento del cable y los sobrecalentamientos.
Para la medición de la rigidez dieléctrica en los transformadores se utilizará un dispositivo capaz de efectuar dicha medición y deberán efectuarse las siguientes medidas:
Medida de la rigidez entre ambos devanados.
Medida de la rigidez entre cada uno de los devanados y tierra.
9.4. Ensayos de rendimiento
Se conoce como rendimiento de un transformador a la relación que existe entre la potencia que cede al exterior el devanado secundario y la que absorbe el devanado primario; por lo que:
Donde:
η = Rendimiento del transformador.
P2 = Potencia que cede al exterior el secundario.
P1 = Potencia que absorbe el primario.
Para calcular el rendimiento de un transformador se pueden llevar a cabo dos métodos diferentes, los cuales se denominan como directo e indirecto.
Método directo
El método directo consiste en medir la potencia del devanado primario y secundario con dos vatímetros conectados a cada uno de estos circuitos. Una vez obtenidas las mediciones, dichos valores se sustituyen en la siguiente expresión:
Donde:
η = Rendimiento del transformador (%).
W2 = Potencia que marca el vatímetro conectado al devanado secundario.
W1 = Potencia que marca el vatímetro conectado al devanado primario.
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Definición |
Vatímetro
Instrumento de medida que se utiliza para determinar la potencia de un circuito eléctrico.
Vatímetro analógico
Método indirecto
Este método consiste en determinar el rendimiento del transformador a partir de la siguiente expresión:
Donde:
η = Rendimiento del transformador.
Ps = Potencia suministrada por el transformador.
Pcu = Pérdidas en el cobre.
Pfe = Pérdidas en el hierro.
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Recuerde |
Las pérdidas en el cobre son las que se producen en los devanados del transformador debido al Efecto Joule.
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Nota |
Las pérdidas en el hierro son las que se producen en el núcleo magnético del transformador y se determinan en el ensayo en vacío (ver a continuación).
9.5. Ensayos en vacío
En el ensayo en vacío, el secundario del transformador se deja abierto, por lo que a través de él no circula corriente alguna. El montaje que es necesario establecer en este ensayo se muestra en el siguiente esquema:
Esquema de montaje del ensayo en vacío
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Nota |
El ensayo en vacío se realiza para determinar las pérdidas en el hierro del transformador. En cambio, para calcular las pérdidas en el cobre de los devanados se lleva a cabo el ensayo de cortocircuito.
Los parámetros que son necesarios determinar en este ensayo son:
Pérdidas en el hierro (Pfe): se determinan con la lectura del valor medido por el vatímetro conectado en el primario (W1).
Intensidad en vacío del primario: este parámetro se determina con la lectura del amperímetro A1.
Relación de transformación (m): es la relación que existe entre la tensión de alimentación (primario) y la que se mide en el secundario. La primera se mide con el voltímetro V1, mientras que la del secundario se puede leer en el voltímetro V2.
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Aplicación práctica |
Imagine que desea conocer la relación de transformación y las pérdidas en el hierro de un transformador monofásico, por lo que establece el montaje correspondiente a un ensayo de vacío. En los respectivos aparatos de medida obtiene las siguientes mediciones:
V1 = 380 V
V2 = 130 V
A1 = 0,09 A
W1 = 2,5 W
Determine, en función de estos valores, la relación de transformación y las pérdidas del hierro del transformador.
SOLUCIÓN
La relación de transformación (m) se puede calcular fácilmente a partir de los valores obtenidos en los voltímetros:
m = U12 / U20
m = V1 / V2
m = 380 / 130
m = 2.92
Para determinar las pérdidas en el hierro, basta con leer el valor que marca el vatímetro W1, por lo que dichas pérdidas tiene un valor de 2,5 W.
9.6. Ensayos en carga
Fundamentalmente, los ensayos en carga consisten en hacer que el transformador funcione en las condiciones para las que se diseñó, por lo que es necesario alimentarlo con la tensión y frecuencia nominal de funcionamiento, además de conectar en el devanado secundario la correspondiente carga nominal.
Esquema eléctrico simplificado del ensayo en carga de transformadores
Los ensayos en carga se suelen efectuar en muy pocas ocasiones. Esto se debe a una serie de dificultades que se plantean en este tipo de pruebas:
Aunque en los transformadores las magnitudes de entrada y de salida son de naturaleza eléctrica y, por consiguiente, fácilmente medibles, es imposible disponer en los laboratorios donde se efectúan los ensayos de las grandísimas potencias nominales para las que se construyen este tipo de máquinas.
Para calcular las pérdidas de potencia, se efectúa la diferencia entre la potencia del primario y la del secundario. Al considerar los posibles errores de medida por parte de los correspondientes vatímetros, el resultado de dicho cálculo quedaría con un error relativo muy elevado, lo que haría imposible la validación de dicho cálculo.
9.7. Ensayos mecánicos
Los ensayos mecánicos se efectúan para verificar la completa hermeticidad y resistencia a la presión de los transformadores, por lo que se comprueba que no existen fugas entre cada uno de los componentes que constituyen el transformador.
Para realizar esta prueba se sigue el siguiente procedimiento:
1. En primer lugar, se somete la máquina a presión y se observa la posible aparición de deformaciones.
2. Cuando se perciben las primeras deformaciones, se dejará de ejercer presión sobre el transformador.
3. Se efectuarán los ajustes correspondientes para eliminar las posibles fugas de aceite, por lo que se prestará atención a las manchas brillantes que puedan aparecer en la superficie.
4. Una vez reparadas las posibles fugas, hay que esperar unas horas para que el proceso de hermetismo se complete.
9.8. Ensayos de pérdidas
El imposible que cualquier máquina eléctrica, ya sea estática o dinámica, funcione sin producir pérdidas de potencia. No obstante, el hecho de que sean máquinas de tipo estático, las pérdidas que se producen en los transformadores son más pequeñas que las que se originan en las máquinas rotativas (generadores, motores, etc.).
En un transformador se producen, fundamentalmente, las siguientes pérdidas:
Pérdidas debidas a las corrientes de Foucault.
Pérdidas por histéresis.
Pérdidas en el cobre de los devanados.
Las corrientes de Foucault son unas corrientes parásitas que se producen en cualquier material conductor cuando está sometido a un flujo magnético variable.
Para minimizar estas corrientes, y la correspondiente pérdida de energía, será necesario que los núcleos que están sometidos al flujo variable no sean macizos, es decir, deberán construirse con chapas magnéticas de pequeño espesor, las cuales deberán apilarse y aislarse entre sí.
Para determinar las pérdidas por corriente de Foucault se puede utilizar la siguiente expresión:
Donde:
PF = Pérdidas por corriente de Foucault (W/kg).
f = frecuencia de la red (Hz).
ßmax = Inducción máxima (Gauss).
= Espesor de la chapa (mm).
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Aplicación práctica |
Imagine que desea calcular las pérdidas por corriente de Foucault de un transformador conectado a una red de 50 Hz, con una chapa magnética de 0,5 mm de espesor y una inducción magnética de 25.000 Gauss.
Determine el valor de dichas pérdidas y razone si, al conectar el transformador a una red eléctrica de mayor frecuencia, dichas pérdidas aumentarían o, por el contrario, disminuirían.
SOLUCIÓN
Para calcular las pérdidas por corrientes de Foucault se sustituyen los valores del enunciado en la fórmula correspondiente:
Pf = (2,2 . 502 . 250002 . 0,52) / (1011)
Pf = (2,2 . 2500 . 6,25 . 108 . 0,52) / (1011)
Pf = (1,7875 . 1012) / (1011)
Pf = 17,875 W/kg
Si se conecta el transformador a una red de mayor frecuencia (60 Hz), se determinan de nuevo las pérdidas por corrientes de Foucault:
Pf = (2,2 . 602 . 250002 . 0,52) / (1011)
Pf = (2,2 . 3600 . 6,25 . 108 . 0,52) / (1011)
Pf = (2,57 . 1012) / (1011)
Pf = 25,74 W/kg
Con esta aplicación práctica se demuestra que, al aumentar la frecuencia de la red, las pérdidas por corriente de Foucault también aumentan.
Otra de las pérdidas que se producen en los transformadores son aquellas que se deben a la denominada histéresis magnética. En los transformadores, este fenómeno se traduce en la imantación que permanece después de someter el núcleo a un flujo magnético variable, lo que genera pérdidas de energía en forma de calor.
La potencia perdida por histéresis magnética dependerá fundamentalmente del tipo de material con el que se construya el núcleo y se determina mediante la fórmula de Steinmetz:
Donde:
Ph = Pérdidas por histéresis.
Kh = Coeficiente de histéresis del material (suele tener valores comprendidos entre 0,0015 y 0,003).
f = Frecuencia de la red (Hz).
ßmax = Indicción máxima (Tesla).
n = Este parámetro puede tener dos valores: 1,6 (si ß es menor que 1 Tesla) y 2 (si ß es mayor que 1 Tesla).
Las pérdidas totales en el núcleo o hierro (PFe) se determinan sumando las pérdidas por corrientes de Foucault (PF) con las de histéresis (PH):
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Aplicación práctica |
Imagine un transformador que trabaja a 50 Hz (f), cuya chapa magnética presenta una inducción de 1’1 Tesla (ßmax) y un coeficiente de histéresis de 0,002 (Kh). Sabiendo que el peso del núcleo es de 2,7 kg, ¿qué valor tendrán las pérdidas por histéresis del núcleo de este transformador?
SOLUCIÓN
A partir de la fórmula de Steinmetz se pueden determinar las pérdidas por histéresis magnética:
PH = Kh . f . β 
Ph = 0,002 . 50 . 1,12
Ph = 0,121 W/kg
Para determinar las pérdidas por histéresis del núcleo, basta con multiplicar el valor que se acaba de obtener por el peso del núcleo:
Pérdidas por histéresis = 0,121 W/Kg . 2,7 Kg
Pérdidas por histéresis = 0,3267 W
9.9. Ensayos complementarios
Además de los ensayos vistos hasta ahora, se pueden señalar algunas pruebas complementarias que también se suelen realizar en los transformadores:
Ensayos de temperatura.
Ensayos de respuesta en frecuencia.
Ensayos de ruido.
Ensayos de control de pintura.
Ensayos de control del equipamiento auxiliar.
Ensayos de temperatura
Para medir la temperatura de un transformador se utilizan varios métodos:
Método por termómetro.
Método por variación de resistencias de los devanados.
Método por sensores internos de temperatura.
El método por termómetro consiste en medir la temperatura tanto en el aceite refrigerante como en el núcleo magnético de los transformadores cuyo elemento refrigerador sea el aceite. En los transformadores secos, la temperatura es tomada en el núcleo, devanados y demás partes metálicas. La medición de la temperatura se lleva a cabo mediante unas sondas que se ponen en contacto con la parte del transformador cuya temperatura se desee medir. Dicha sonda se conecta a un termómetro digital en el que se podrán leer las correspondientes mediciones.
Termómetro digital con sonda de temperatura
El método de variación de las resistencias de los devanados consiste en determinar la variación de temperatura de los mismos en función de la diferencia de resistencia que presentan según estén o no funcionando.
Otro método que se utiliza para controlar la temperatura de un transformador consiste en instalar, en el momento de la construcción del transformador, unos detectores de temperatura capaces de transmitir una señal cuando detecten una temperatura superior a la prestablecida.
Ensayos de respuesta en frecuencia
Este ensayo permite localizar posibles desplazamientos de espiras o conexiones en el interior de un transformador, los cuales pueden haberse producido, por ejemplo, durante el transporte de la máquina.
El ensayo consiste en suministrar a uno de los devanados del transformador una serie de pulsos de tensión, a la vez que se muestrea el espectro de frecuencias de la corriente absorbida. Una vez hecho esto, se compara dicha muestra con la que presentaba el transformador al principio.
Ensayos de ruido
Es frecuente la instalación de transformadores en las proximidades de centros urbanos, por lo que es importante controlar el ruido magnético que puedan producir, ya que puede resultar molesto para los vecinos.
Transformador en un casco urbano
La medición del ruido se efectúa con el transformador en funcionamiento, a través un dispositivo medidor de presión sonora, tomándose varias lecturas a diferentes distancias.
Ensayos de control de pintura
Muchos transformadores se instalan al aire libre, por lo que, dependiendo del lugar geográfico donde se instalen, pueden estar expuestos a inclemencias meteorológicas realmente adversas. En estos casos, es importante someter la pintura del transformador a una serie de ensayos normalizados de porosidad, adherencia, espesor, etc. y así evitar que la cuba pueda deteriorarse.
Transformador al aire libre
Ensayos de control del equipamiento auxiliar
Los transformadores suelen estar constituidos por gran cantidad de elementos auxiliares: conmutadores, sistemas de ventilación, bombas de circulación de aceite, sensores térmicos, dispositivos de protección, etc.; por lo que todo este equipamiento también deberá ser sometido a ensayos, según las normas y recomendaciones de cada uno de estos elementos. También es importante comprobar periódicamente el correcto conexionado de cada uno de estos componentes.
Transformador trifásico con ventilación
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Nota |
Los transformadores con conmutadores de varias posiciones tienen devanados fijos cuya relación de transformación puede ser ajustada cuando el transformador está en carga.
10. Placa de características de un transformador
La placa de características de un transformador consiste en una chapa metálica adosada en la propia máquina en la que se establecen las características más relevantes que la definen.
En dicha placa deberá incluirse, al menos, la siguiente información:
a. Potencia nominal: la potencia nominal del transformador se determina multiplicando la intensidad nominal por la tensión nominal y el factor de fase (el cual vale 1 en los transformadores monofásicos y √3 en los trifásicos).
b. Tensiones nominales del primario y secundario: la tensión nominal en el primario informa del voltaje al que está previsto alimentar el transformador. La tensión nominal del secundario es la que aparece en dicho devanado cuando el transformador se configura en vacío.
c. Intensidades nominales del primario y secundario: estos valores hacen referencia al valor de corriente que circula por dichos devanados cuando el transformador está suministrando la potencia nominal.
d. Grupo de conexiones: indica las conexiones de los devanados primario y secundario (estrella, triángulo o zigzag). Se indica a partir de dos letras, una mayúscula para el devanado primario y otra minúscula para el devanado secundario. Las letras que se utilizan para indicar esta información se indican en la siguiente tabla:
e. Frecuencia: es el valor (o valores) de frecuencia de alimentación para el que puede funcionar el transformador.
f. Potencia nominal: es la potencia máxima que puede suministrar el devanado secundario del transformador. Se suele indicar en kilovoltiosamperio (KVA).
g. Tipo: el tipo de transformador se indica mediante un símbolo:
LT: Transformador de potencia.
ZT: Transformador adicional.
Spt: Autotransformador.
LT/S: Transformador con conmutador de varias posiciones.
Ejemplo de placa de características de un transformador
11. Componentes de un transformador
Un transformador está constituido fundamentalmente por los siguientes componentes:
Núcleo.
Devanados.
Aislamientos.
Herrajes.
Conexiones.
Transformador trifásico
12. Núcleo, devanados o bobinas, aislamientos, herrajes, terminales y conexiones
Los transformadores están construidos por diversas partes, las cuales presentan ciertas características y funcionalidades específicas. A continuación se hará una breve descripción de cada una de ellas.
12.1. Núcleo
El núcleo constituye el circuito magnético del transformador, ya que su misión es conducir el flujo magnético entre los devanados primario y secundario
El núcleo magnético está constituido por láminas de acero que tienen una pequeña cantidad de silicio (aproximadamente un 4%) y la propiedad de generar pérdidas por corrientes de Foucault y por histéresis relativamente pequeñas.
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Recuerde |
Las corrientes de Foucault son unas corrientes parásitas que se producen en cualquier material conductor cuando está sometido a un flujo magnético variable.
Como se acaba de decir, los núcleos están formados por una serie de laminaciones dispuestas en la forma y las dimensiones que correspondan. El motivo por el que se usan laminaciones de acero al silicio es que incrementan el valor resistivo del material, lo que provoca un descenso de las corrientes parásitas, por lo que las pérdidas en el hierro también disminuyen.
Ejemplo de núcleo laminado de un transformador monofásico
12.2. Devanados o bobinas
El transformador está constituido por dos circuitos eléctricos, los cuales corresponden a cada uno de los devanados de la máquina: el primario y el secundario.
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Recuerde |
El devanado primario es el que se conecta a la red eléctrica, mientras que el secundario es el que va conectado a la carga o circuito de salida.
Se conoce como devanado de alta tensión aquel que trabaja a la tensión más elevada, mientras que el devanado de baja tensión es el que trabaja a una tensión inferior. Estos devanados corresponderán al primario o al secundario del transformador dependiendo de la tipología de la máquina, según la potencia entregada respecto a la recibida.
Esquema eléctrico de un transformador
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Ejemplo |
En un transformador reductor, el devanado de alta tensión corresponderá al primario, mientras que el secundario será el de baja tensión.
Los devanados de los transformadores suelen estar constituidos por conductores de cobre recubiertos por una capa de barniz aislante.
Según la manera en la que se disponen los arrollamientos de alta y baja tensión alrededor del núcleo, se pueden diferenciar dos tipos de arrollamientos: los concéntricos y los alternados.
Los arrollamientos concéntricos se disponen en dos cilindros: uno para el devanado de baja tensión (suele ser el cilindro interior) y otro para el de alta (suele ser el cilindro exterior). Para evitar el contacto entre ambos devanados, se coloca, entre dichos cilindros, algún tipo de material aislante.
Disposición de los devanados concéntricos
Por otro lado, los devanados alternados se disponen formando subdivisiones en las que se alternan los arrollamientos de baja y alta tensión.
Disposición de los devanados alternados
12.3. Aislamientos
Para aislar las capas de un mismo devanado se utilizan capas de papel o cartón aislante, las cuales suelen ser de presspan o poliéster. Estos aislamientos se disponen para evitar que las espiras puedan cortocircuitarse unas con otras.
Para evitar el contacto entre los devanados primario y secundario también es necesario disponer capas de papel o cartón aislante (presspan o poliéster). Es importante tener en cuenta que este aislante deberá tener un espesor y una rigidez eléctrica suficientes para soportar las diferencias de tensión entre ambos devanados.
En los transformadores de baja potencia se utilizan carretes aislantes para separar las chapas magnéticas de los arrollamientos. Estos carretes presentan unos taladros en las solapas que permitirán la conexión del principio y el final de cada uno de los bobinados a la placa de bornes del transformador.
Carrete aislante para transformadores de baja potencia
12.4. Herrajes, terminales y conexiones
Los transformadores presentan partes que están destinadas a cumplir funciones de sujeción de la propia estructura en el lugar donde se instale. A estos elementos se les conoce por el nombre de herrajes y deberán ser capaces de soportar cualquier esfuerzo que pueda afectar al sistema.
Componentes de un transformador trifásico de tipo seco
Por otro lado, en los transformadores de gran potencia, la conexión de los devanados con el circuito externo se lleva a cabo a través de aisladores, cuyas características dependerán tanto de las tensiones de funcionamiento como de las condiciones de trabajo de la máquina (aire libre, interior, etc.).
Aisladores en un transformador de alta tensión
En este capítulo se han estudiado diversos aspectos relacionados con los transformadores eléctricos en general, los cuales se pueden resumir en los siguientes puntos:
Los transformadores se suelen utilizan para aumentar o disminuir valores de tensión o intensidad y funcionan gracias al principio de inducción electromagnética.
Básicamente, los transformadores están constituidos por dos circuitos diferentes: uno magnético (el cual corresponde al núcleo del transformador) y uno eléctrico (formado por los devanados primario y secundario).
La relación de transformación (m) es un parámetro característico de los transformadores, ya que informará de la relación entre las tensiones y las intensidades presentes en los devanados primario y secundario. El valor de dicho parámetro dependerá del número de espiras de los arrollamientos.
Existen multitud de tipos de transformadores, los cuales se diferencian según sea el criterio de clasificación establecido (número de fases, tipo y forma del núcleo, tipo de refrigeración, funcionalidad, etc.).
Existen cinco tipos de conexiones que pueden establecerse en los devanados de un transformador trifásico. Estas son: triángulo ()-triángulo (), estrella (Y)-triángulo (), triángulo ()-estrella (Y), estrella (Y)-estrella (Y) y estrella (Y)-zigzag (Z).
Cuando hay una demanda energética superior a la que puede ser cubierta por un único transformador, se recurre al acoplado de dos o más transformadores en paralelo.
Los ensayos realizados sobre los transformadores consisten en una serie de pruebas en las que se determinan ciertos parámetros de funcionamiento de la máquina. Los más importantes son el ensayo de vacío y el de cortocircuito.
Los elementos más importantes de la mayoría de los transformadores reales son: devanados, núcleo, placa de características, conexiones, herrajes y aislamientos.
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Ejercicios de repaso y autoevaluación |
1. Complete las siguientes frases.
a. Un transformador es una máquina eléctrica __________ que funciona gracias al principio de __________ __________.
b. El transformador ideal es un modelo __________ del transformador en el que no existen __________.
c. Para aislar las capas de un mismo _____________ se utilizan capas de ____________ o __________ aislante, las cuales suelen ser de __________ o __________.
2. Indique si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas.
a. Con el empleo de transformadores se consigue aislar circuitos eléctricos.
Verdadero
Falso
b. El flujo magnético generado en un transformador es canalizado a través de su núcleo.
Verdadero
Falso
c. La intensidad que circula por el devanado secundario de un transformador no afecta a la que circula por el primario.
Verdadero
Falso
d. Cuando la demanda energética disminuye temporalmente es más económico que un transformador opere a capacidad reducida en lugar de que un transformador más pequeño opere al límite de su capacidad.
Verdadero
Falso
e. El núcleo magnético de un transformador está constituido por láminas de acero que tienen una pequeña cantidad de silicio.
Verdadero
Falso
3. La ITC-BT-48 es la instrucción técnica que desarrolla las condiciones de instalación de...
a. ... transformadores y autotransformadores.
b. ... reactancias y rectificadores.
c. ... condensadores.
d. Todas las respuestas anteriores son correctas.
4. ¿Qué es un transformador reductor?
5. ¿De qué dos maneras se puede establecer un transformador trifásico?
6. ¿Qué tipo de configuración se usa en los sistemas de potencia que requieran aumentar tensiones de generación o de transmisión?
a. - y.
b. y - .
c. y - y.
d. Z - y.
7. ¿En qué tipo de ensayo se determinan las pérdidas en el cobre (devanados) de un transformador?
a. Ensayo en vacío.
b. Ensayo en cortocircuito.
c. Ensayo de rigidez.
d. Ensayo de temperatura.