Transformadores Unidad I

EL TRANSFORMADOR

Es un dispositivo que sirve para transformar un voltaje de corriente alterna, elevándolo o reduciéndolo de un nivel a otro por una relación fija, con la respectiva disminución o el incremento de la corriente, para mantener los niveles de potencia eléctrica en el proceso de transformación de energía.

Se basa en las leyes del electromagnetismo, solo que en vez de movimiento físico, en este caso el voltaje inducido se logra cambiando la cantidad de flujo magnético.

Su estructura básica es la siguiente:

El transformador tiene una bobina de alto voltaje (H), una bobina de bajo voltaje (X) y un núcleo de hierro que permite el acoplamiento magnético de ambas bobinas.

          La conexión de entrada de c.a es la bobina primaria  NP y la conexión de salida es la bobina secundaria NS.

La bobina primaria puede ser la de alta o la de baja tensión. Si la entrada es el lado de alta tensión, el transformador se denomina Reductor; si por el contrario la entrada es de baja tensión, el transformador se denomina Elevador. 

CIRCUITO EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR

En la década de 1970 el cálculo de las tensiones y corrientes en los transformadores se realizaba con complejos diagramas vectoriales. Más recientemente, con el desarrollo de los primeros ordenadores, el cálculo de tensiones y corrientes se pudo resolver mediante cálculo complejo. A pesar de reducir la complejidad de los cálculos con transformadores, el cálculo complejo aún resulta tedioso para la obtención de las tensiones y corrientes cuando hay transformadores en los circuitos a analizar. Para facilitar más la labor en el cálculo de tensiones y corrientes cuando los transformadores están involucrados, se suele recurrir a su sustitución por un circuito equivalente que incorpore todos los fenómenos físicos que se producen en un transformador real (figura A.).

Fig. A. Transformador Real.

Al contrario de lo que se puede pensar, el desarrollo de circuitos equivalentes para las máquinas eléctricas no es una novedad ya que su desarrollo está ligado con la propia evolución y expansión de la ingeniería eléctrica.

La gran ventaja del uso de circuitos equivalentes de máquinas eléctricas reside en poder aplicar toda la potencia del cálculo de teoría de circuitospermitiendo conocer la respuesta de una máquina frente a unas determinadas condiciones de funcionamiento.

La obtención del circuito equivalente del transformador se inicia reduciendo ambos devanados al mismo número de espiras. En el transformador real se tiene

E1 / E2 = N1 / N2 = m→ E2 = E1 / m

En el transformador equivalente se tiene que al ser N′2 = N1

E1 / E′2 = N1 / N′2 = 1

Luego la relación entre E2 y E′2 es

E′2 = m⋅E2

Análogamente se puede obtener que

V′2 = m⋅V2

Además, para que este nuevo transformador sea equivalente al original las potencias activa y reactiva y, en consecuencia la potencia aparente, deben conservarse.

Como el secundario del transformador equivalente debe consumir la misma potencia aparente que el secundario del transformador real se tiene

V2⋅I2 = V′2⋅I′2

de donde se puede obtener la relación entre la corriente real del secundario del transformador y la corriente reducida del secundario del transformador

I′2 = V2⋅I2 / V′2 = V2⋅I2 / m⋅V2 = I2 / m 

Procediendo de forma análoga para las potencia activa se tiene

R2⋅I22 = R′2⋅I′22

Luego la relación entre la resistencia real y la reducida será

R′2 = R2⋅I22 / I′22 = R2⋅I22 / I22 / m2 = m2⋅R2

Repitiendo el cálculo para la potencia reactiva

X2⋅I22 = X′2⋅I′22 

X′2 = m2⋅X2

En general, cualquier impedancia Z conectada al secundario del transformador se reducirá al primario mediante

Z′2 = m2⋅Z2

Tras reducir todos los valores de impedancias al primario y, dado que E1=E′2los terminales A-a y A'-a' se pueden unir, sustituyendo ambos devanados por uno solo como se muestra en la figura B.

Fig. B. Equivalente Transformador Real reducido al primario.

La corriente que circulará por el devanado será la diferencia entre I1 y I′2 que es igual a la corriente de vacío, I0. Esta corriente a su vez tiene dos componentes, una activa IFe y otra reactiva Iμ, que representan un circuito paralelo formado por una resistencia RFe, que modela las pérdidas por efecto Joule en el hierro del transformador y por una reactancia Xμ por la que se deriva la corriente de magnetización de la máquina. De acuerdo con estos razonamientos, el circuito de la figura B. se transforma en el de la figura C. que se conoce como el circuito equivalente exacto del transformador reducido al primario.

Fig. C. Equivalente transformador exacto reducido al primario.

Si se sigue el mismo proceso dejando inalterado el secundario y tomando el número de espiras del primario N′1 = N2 se obtiene el circuito equivalente del transformador exacto reducido al secundario (figura D.).

Fig. D. Equivalente Transformador exacto reducido al secundario.

donde V′1 = V1 / m, R′1 = R1 / m2, X′1 = X1 / m2,  I′1 = m⋅I1, I′0 = m⋅I0,                                          R′Fe = RFe / m2, X′μ = Xμ / m2.

En la práctica, debido al pequeño valor de I0 frente a las corrientes I1 e I′2, se emplea el circuito equivalente aproximado del transformador. Este circuito se obtiene trasladando la rama en paralelo por la que circula la corriente de vacío a los bornes de la entrada del primario tal y como se muestra en la figura E.

Fig. E. Equivalente del transformador aproximado reducido al primario.

El circuito simplificado permite resolver multitud de problemas prácticostales como el cálculo de la caída de tensión, el rendimiento del transformador, análisis de estabilidad, cortocircuitos, etc., sin incurrir en grandes errores.

IMPORTANCIA DE LOS TRANSFORMADORES EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS.

Cobran gran importancia ya que con ellos podemos cambiar la amplitud del voltaje, aumentándola para ser más económica la transmisión y luego disminuyéndola para una operación más segura en los equipos.

   La mayor parte de los radios contienen uno o más transformadores, así como los receptores de televisión, los equipos de alta fidelidad, algunos teléfonos, automóviles y en fin una gran variedad de artículos que para su funcionamiento es de vital importancia que posea un transformador. Por tanto se hace necesario analizar detalladamente los fenómenos que ocurren con los cambios de polaridad en las bobinas de un transformador observando su comportamiento al sumarle o restarle voltaje a las bobinas de acuerdo a sus conexiones.

   De manera similar la regulación de voltaje en el transformador se hace importante ya que con ella detallaremos las respuestas del transformador a diferentes cargas puestas en él. El propósito de la publicación de este trabajo es para darle a conocer la importancia del transformador y sus objetivos.

CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES

TRANSFORMADOR DE POTENCIA

Se utilizan para substransmisión y transmisión de energía eléctrica en alta y media tensión. Son de aplicación en subestaciones transformadoras, centrales de generación y en grandes usuarios.

Características Generales:

Se construyen en potencias normalizadas desde 1.25 hasta 20 MVA, en tensiones de 13.2, 33, 66 y 132 kV. y frecuencias de 50 y 60 Hz.

TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN

Se denomina transformadores de distribución, generalmente los transformadores de potencias iguales o inferiores a 500 kVA y de tensiones iguales o inferiores a 67 000 V, tanto monofásicos como trifásicos. Aunque la mayoría de tales unidades están proyectadas para montaje sobre postes, algunos de los tamaños de potencia superiores, por encima de las clases de 18 kV, se construyen para montaje en estaciones o en plataformas. Las aplicaciones típicas son para alimentar a granjas, residencias, edificios o almacenes públicos, talleres y centros comerciales.

Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica.

Características Generales:

Se fabrican en potencias normalizadas desde 25 hasta 1000 kVA y tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV. Se construyen en otras tensiones primarias según especificaciones particulares del cliente. Se proveen en frecuencias de 50-60 Hz. La variación de tensión, se realiza mediante un conmutador exterior de accionamiento sin carga.

TRANSFORMADORES DE MEDIDA

Los instrumentos de medidas eléctricas modernos se producen para corrientes no mayores de algunas decenas y centenas de amperes y tensiones del orden de cientos de volt. La aislación de la mayoría de los instrumentos de medida eléctricas se calculan para tensiones de varios de miles de volt. Mientras tanto, con el actual nivel técnico es necesario medir corrientes alternas del orden de miles y decenas de miles de amperes, tensiones de cientos de miles de volt y potencias que alcanzan valores de 500 MVA y más.

Para medir grandes valores de magnitudes eléctricas mediante los habituales instrumentos de corriente alterna es necesario ampliar sus alcances y garantizar la seguridad del trabajo con esos aparatos. La ampliación de los alcances en circuitos de corriente alterna y la garantía de la seguridad de la medición de altas tensiones se logra con ayuda de los transformadores de medida.