Transformador-trabajo1mono

TRANSFORMADOR

1. INTRODUCCIÓN Los transformadores son dispositivos electromagnéticos estáticos que permiten partiendo de una tensión alterna conectada a su entrada, obtener otra tensión alterna mayor o menor que la anterior en la salida del transformador. Permiten así proporcionar una tensión adecuada a las características de los receptores. También son fundamentales para el transporte de energía eléctrica a largas distancias a tensiones altas, con mínimas perdidas y conductores de secciones moderadas.

2. PRINCIPIO DE INDUCCION ELECTRO MAGNETICA El transformador está basado en los fenómenos de inducción electromagnética. Consta de un núcleo de chapas magnéticas, al que rodean dos devanados, denominados primarios y secundarios. Al conectar el devanado primario a una red de c.a. se establece un flujo alterno en el circuito magnético que, a su vez, inducirá las ff. ee. mm. en el o los devanados secundarios El primario recibe La potencia de la red, por lo tanto se debe considerar como un receptor o consumidor. Por el contrario, el secundario se une al circuito de utilización, pudiéndose considerar, por lo tanto, como un generador. En resumen el transformador, es un aparato estático de inducción electromagnética destinado a transformar un sistema de corrientes variables en otro o varios sistemas de corrientes, cuyas tensiones e intensidades son generalmente diferentes, aunque de la misma frecuencia.

La Bobina primaria recibe un voltaje alterno que hará circular, por ella, una corriente alterna. Esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro - Como el

bobinado secundario está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético circulará a través de las espiras de éste. Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del "Secundario", se generará por el alambre del secundario un voltaje Habría una corriente si hay una carga (el secundario está conectado a una resistencia por ejemplo). La razón de la transformación del voltaje entre el bobinado "Primario" y el "Secundario" depende del número de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de voltaje. La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario(Np) y secundario(Ns) . (TECNOLOGIA INDUSTRIAL.ES)

2.1. APLICACIONES DEL TRANSFORMADOR 2.1.1.   

Usos Industriales: Amplitud y frecuencia de entrada fijas. No hay ganancia en potencia (sino perdidas, p. Ej. corrientes parásitas). Lo que puede haber es ganancia en tensión. Uso para grandes potencias.

Teniendo su principal aplicación como variador de tensión, es en las líneas de transporte de energía eléctrica donde su aplicación es fundamental, debido a su doble vertiente tanto como elevador como reductor. 2.1.2.  

ELEMENTO DE CIRCUITO Sistemas para acoplo magnético (P. Ej. Circuitos magnéticos) En sistemas electrónicos

Debido a la propiedad del transformador de reflejar impedancias se utiliza como:   2.1.3. 

Adaptador de impedancias. Separador (Aislador de cargas de fuente). ELEMENTOS DE MEDIDA.

A la vez se necesitan como elementos de adaptador para la instrumentación

3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TRANSFORMADOR Un transformador se compone de dos arrollamientos aislados eléctricamente entre sí y devanados sobre un mismo núcleo de hierro.

Una corriente alterna que circule por uno de los arrollamientos crea en el núcleo un campo magnético alterno. La mayor parte de este flujo atraviesa el otro arrollamiento e induce en él una fuerza electromotriz (fem) alterna. La potencia es transmitida de un arrollamiento a otro por medio del flujo magnético del núcleo. El arrollamiento al que se suministra potencia se denomina primario y el que cede potencia secundario. En un transformador real, las líneas del flujo magnético no están confinadas enteramente en el hierro, sino que algunas de ellas se cierran a través del aire.  

La parte del flujo que atraviesa los dos arrollamientos se llama flujo común o útil. La parte del flujo que se cierra a través del aire se denomina flujo de dispersión.

La potencia obtenida de un transformador es inferior a la potencia suministrada al mismo: Pérdidas en el cobre: pérdidas en forma de calor que se producen por efecto Joule en la resistencia de los arrollamientos primario y secundario. Pérdidas en el hierro: pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault en el núcleo. La histéresis se reduce al mínimo utilizando hierro que tenga un ciclo de histéresis estrecho, y las corrientes de Foucault se reducen construyendo el núcleo con láminas muy finas apiladas y aisladas entre sí. (Arboit)

4. DETERMINACION DE LAS CONSTANTE DE UN TRANSFORMADOR Los valores reales de resistencia y reactancia de los devanados de un transformador, se pueden obtener de pruebas de laboratorio mediante mediciones y algunos cálculos relativamente simples y que son la base de los valores usados en los circuitos equivalentes. Algunos de estos valores o parámetros del transformador obtenidos para el transformador pueden no existir físicamente, pero pueden ayudar a comprender la operación del transformador. 

LA PRUEBA DE CORTO CIRCUITO EN EL TRANSFORMADOR.

La prueba de corto circuito consiste en cerrar o poner en corto circuito, es decir, con una conexión de resistencia despreciable, las terminales de uno de los devanados y alimentar el otro con un voltaje reducido (aplicado en forma regulada) de un valor reducido de tensión que representa un pequeño porcentaje del voltaje del devanado por alimentar, de tal forma, que en los devanados circulen las corrientes nominales. En estas condiciones se miden las corrientes nominales y la potencia absorbida. Debido a que la tensión aplicada es pequeña en comparación con la tensión nominal, las pérdidas en vacío o en el núcleo se pueden considerar como despreciables, de manera que toda la potencia absorbida es debida a las pérdidas por efecto joule en los devanados primario y secundario. 

WATTMETRO que indica la potencia de pérdidas por efecto de circulación de las corrientes en los devanados primario y secundario.

Conexión de corto circuito entre las terminales del devanado. CC voltaje de alimentación de valor reducido, de manera que se hagan circular las corrientes I1, I2 de valor nominal en cada devanado. El voltaje aplicado (VCC) es regulado y se varía como se indicó antes, hasta que circule la corriente de plena carga en el primario. De los valores medidos se obtiene “la impedancia total” del transformador como: (Unideg, TAREASUNIVERSITARIAS.COM, 2013)

DONDE:   

I1 = corriente nominal primaria. VCC = voltaje de corto circuito aplicado en la prueba ZT = impedancia total interna referida al devanado primario. Esta impedancia se conoce también como impedancia equivalente del transformador

5. PERDIDAS EN LOS DEVANADOS A PLENA CARGA Debido a que el flujo es directamente proporcional al voltaje, el flujo mutuo en el transformador bajo las condiciones de prueba de corto circuito es muy pequeño, de manera que las pérdidas en el núcleo son despreciables. Sin embargo, la corriente que circula a través de la resistencia de los devanados produce las mismas pérdidas en éstos, que cuando opera en condiciones de plena carga, esto se debe a que en ambos devanados se hace circular la corriente nominal. En el circuito para la prueba de corto circuito, si el wáttmetro se conecta en el devanado primario o de alimentación, entonces se “miden” las pérdidas en los devanados ya que no hay otras pérdidas consideradas, de este valor que-se toma de las pérdidas, se puede calcular “la resistencia equivalente” del transformador como:

DONDE: 

PCC = pérdidas en los devanados y que se obtienen de la-lectura del wáttmetro.

Se deben tener siempre en mente, que el valor de la resistencia RT, no es la suma aritmética de las resistencias en los devanados primario y secundario, es un valor que se determina del circuito equivalente y por tal motivo se le denomina “la resistencia equivalente del transformador”. La impedancia equivalente de un transformador se puede expresar en términos de la resistencia y reactancia equivalen te como:

De tal forma, que la reactancia equivalente del transformador se calcula como:

Estos valores están por lo general referidos al devanado de alto voltaje, debido a que se acostumbra poner en corto circuito el devanado de bajo voltaje, es decir las mediciones se hacen en el devanado de alto voltaje. Esto es por lo general el método normal de prueba. Las razones principales para esto:





6.

La corriente nominal en el devanado de alto voltaje es menor que la corriente nominal en el devanado de bajo voltaje. Por lo tanto, son menos peligrosas y por otra parte es más fácil encontrar instrumentos de medición dentro del rango. Debido a que el voltaje aplicado es por lo general menor que el 5% del valor del voltaje nominal del devanado alimentado, se obtiene una lectura del vóltmetro con una de flexión apropiada para el rango de voltajes que se miden. (Unideg, TAREASUNIVERSITARIAS.COM, 2013)

REGULACION DE TRANSFORMADOR

La regulación de un transformador se define como al diferencia entre los voltajes secundarios en vacío y a plena carga, medidos en terminales, expresada esta diferencia como un porcentaje del voltaje a plena carga. Para el cálculo del voltaje en vacío se debe tomar en consideración el factor de potencia de la carga. La carga de los transformadores de potencia varían constantemente, ocurriendo la mayor variación en los periodos de mayor actividad industrial y comercial, esto provoca que el voltaje en los secundarios de los transformadores varíen de acuerdo con la carga y el factor de potencia, dependiendo si esta en atraso, en adelanto o si es la unidad. Ya que todos los equipos eléctricos, electrónicos, motores, lámparas son muy sensibles a los cambios de tensión que pudiesen causarles daños es muy importante tener una buena regulación de voltaje, por lo que es muy importante conocer las características de los elementos constructivos de transformadores y líneas de transmisión, además de su comportamiento ante carga capacitiva, inductivas o resistiva. El Coeficiente de Regulación de Voltaje o la Regulación de Voltaje (RV) es una cantidad que compara el voltaje de salida sin carga (en Vacío) con el voltaje de salida a plena carga y se define por la ecuación.



VS: Voltaje de Salida de una línea de transmisión o Voltaje Secundario de un transformador

A nivel de suministro de tensión se desea tener una regulación de voltaje tan pequeña como sea posible. Para un transformador ideal, RV = 0%, lo cual nos indica que sus devanados no presentan una resistencia y no requiere de potencia reactiva para su funcionamiento. Sin embargo, los transformadores reales tienen cierta resistencia en los devanados y requieren de una potencia reactiva para producir su campo magnéticos, es decir, posee dentro del impedancias en serie, tal y como se observa en la figura 1, entonces su voltaje de salida varía de acuerdo con la carga aun cuando el voltaje de entrada y la frecuencia permanezcan constante.

La variación de la tensión en el secundario depende esencialmente de dos variables, de la corriente absorbida por la carga y de su factor de potencia. Para obtener la regulación de tensión en un transformador se requiere entender las caídas de tensión que se producen en su interior. Consideremos el circuito equivalente del transformador simplificado: los efectos de la rama de excitación en la regulación de tensión del transformador puede ignorarse, por tanto solamente las impedancias en serie deben tomarse en cuenta. La regulación de tensión de un transformador depende tanto de la magnitud de estas impedancias como del ángulo fase de la corriente que circula por el transformador. La forma más fácil de determinar el efecto de la impedancia y de los ángulos de fase de la intensidad circulante en la regulación de voltaje del transformador es analizar el diagrama fasorial, un esquema de las tensiones e intensidades fasoriales del transformador. En la figura 1, se observa el circuito equivalente del transformador simplificado donde se ignoran los efectos de la rama de excitación y se considera solo las impedancias en serie.

FIGURA 1. MODELO APROXIMADO DEL TRANSFORMADOR, REFERIDO AL SECUNDARIO

Un diagrama fasorial es la representación visual de una ecuación, estos se pueden usar para observar los ángulos de fases normales en la regulación de un transformador. La figura 2, muestra un diagrama fasorial de un transformador que opera con un factor de potencia en retraso se observa que Vp/a > Vs para carga en retraso, es decir, una impedancia predominantemente inductiva, por lo que la regulación de voltaje deberá ser mayor que cero.

FIGURA 2. DIAGRAMA FASORIAL DEL TRANSFORMADOR, FACTOR DE POTENCIA EN ATRASO

En la figura 3, se muestra un diagrama fasorial con factor de potencia igual a la unidad y el voltaje en el secundario es menor comparado con el voltaje primario referido, por lo que la regulación de voltaje es mayor que cero, pero menor de lo que era para una corriente en atraso.

FIGURA 3. DIAGRAMA FASORIAL DEL TRANSFORMADOR, FACTOR DE POTENCIA UNIDAD Si la corriente secundaria esta en adelanto, el voltaje secundario puede en realidad ser mayor que el voltaje primario referido, en este caso, la impedancia es predominantemente capacitiva y el transformador tendrá una regulación negativa.

FIGURA 4. DIAGRAMA FASORIAL DEL TRANSFORMADOR, FACTOR DE POTENCIA EN ADELANTO

Para transformadores de potencia superiores a 5KVA, los valores de las correspondientes de caídas de tensión son   

Para carga puramente inductiva Vs = 0,96 Vp/a Para carga puramente óhmica Vs = 0,98 Vp/a Para carga puramente capacitiva Vs = 1,02 Vp/a

Para factor de potencia capacitivo la tensión en carga puede ser mayor que la tensión en vacío. Este fenómeno se conoce como efecto Ferranti y puede producirse en todos los casos que las líneas eléctricas tienen conectadas cargas capacitivas. Las cargas inductivas son desexcitantes puesto que provocan caídas de tensión, mientras que las cargas capacitivas son excitantes, ya que provocan un aumento de tensión. (APRENDIENDO DE LA ELECTRICIDAD, 2013)

7. TRANSFORMADOR MONOFASICO El Transformador de distribución, es una máquina eléctrica estática, utilizada para transformar energía eléctrica desde los diferentes valores de media tensión de la red (1,000 Voltios hasta 30,000 Voltios), a niveles que permitan su aprovechamiento, dentro del sistema de distribución en baja tensión (tensiones menores a 1,000 Voltios). 7.1. TRANSFORMADOR REAL Los transformadores ideales descritos anteriormente nunca se podrán construir en realidad. Lo que puede construirse son transformadores reales dos o más bobinas de alambre, físicamente envueltas alrededor de un núcleo ferromagnético. Las características de un transformador real se aproximan muchas alas de un transformador ideal, persona solo hasta un cierto grado. En esta sección estudiaremos el comportamiento de los transformadores reales Para entender el funcionamiento de un transformador real, Esta nos muestra un transformador que consiste en dos bobinas de alambre enrolladas alrededor de un núcleo del transformador. La bobina primaria del transformador está conectada a una fuente de fuerza de ca y la bobina secundaria está en circuito abierto. La curva de histéresis del transformador.

La base del funcionamiento del transformador se puede derivar de la ley de Faraday eent = dλ / dt En donde λ es el flujo magnético ligado de la bobina, a través de la cual el voltaje se induce. El flujo ligado total λ es la suma de los flujos que pasan por cada vuelta de la bobina, sumando tantas veces cuantas vueltas tenga dicha bobina: λ= Σ θ i

El flujo magnético total que pasa por entre una bobina no es sólo Nθ, en donde N es el número de espiras en la bobina, puesto que el flujo que pasa por entre cada espira es ligeramente diferente del flujo en las otras vueltas, y depende de la posición de cada una de ellas en la bobina. Sin embargo, es posible definir un flujo promedio por espira en la bobina. Si el flujo magnético total de todas las espiras es λ y si hay N espiras, entonces el flujo promedio por espira se establece por θ=λ/N

Curva de histéresis del transformador. Y la ley de Faraday se puede escribir eent = N d λ / dt 7.1.1.

DIAGRAMA DE SENSORIALES

La figura nos muestra un diagrama fasorial de un transformador que trabaja con un factor de potencia atrasado. Es muy fácil ver que VP / a VS para cargas en atraso, así que la regulación de voltaje de un transformador con tales cargas debe ser mayor que cero.

Figura 5.8

La figura 5.9 (a) puede verse un diagrama fasorial con un factor de potencia igual a uno. Aquí nuevamente se ve que el voltaje secundario es menor que el primario, de donde VR 0. Sin embargo, en esta oportunidad la regulación de voltaje es un número más pequeño que el que tenía con una corriente en atraso.

Figura 5.9 (a) 7.1.2.

PERDIDAS EN VACÍO Y CORRIENTE DE EXCITACIÓN.

7.1.2.1.

PÉRDIDAS DEL TRANSFORMADOR.

Las pérdidas de un transformador incluyen las pérdidas en vacío (pérdidas en el núcleo y pérdidas por corriente de excitación) y las pérdidas en carga (pérdidas por resistencia, pérdidas por corrientes parásitas en los devanados y pérdidas adicionales). Las pérdidas en vacío constan de pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas de Foucault en el núcleo. Además, existen unas pequeñas pérdidas por resistencia en el devanado de excitación debido a la corriente de excitación, pero éstas son despreciables. 7.1.3.

REGULACION DE TENSION Y RENDIMIENTO

Puesto que el transformador real tiene impedancias en serie en su interior, su tensión de salida varía con la carga, aún si la tensión de alimentación se mantiene constante. Para comparar cómodamente los transformadores, en cuanto a esto, se acostumbra definir una cantidad llamada Regulación de Voltaje (RV). La Regulación de Voltaje a plena carga es una cantidad que compara el voltaje de salida del transformador en vacío con el voltaje de salida a plena carga: RV = (VS, SC – VS, PC) / (VS, PC) * 100 % Puesto que, en el vacío, VS = VP / a, la regulación de voltaje también puede expresarse como: RV = (VP/a – VS, PC) / (VS, PC) * 100 % Si el circuito equivalente del transformador está dado en sistema por – unidad, entonces la regulación de voltaje es: RV = (VP, PU – VS, PC, PU) / (VS, PC, PU) * 100 %

Generalmente se considera conveniente tener una regulación de voltaje tan pequeña como sea posible. Para un transformador ideal, RV = 0 %. No siempre es aconsejable tener una regulación de voltaje baja, aunque algunas veces los transformadores de impedancia y regulación de voltajes altos se usan deliberadamente para reducir las corrientes de falla en un circuito. Para obtener la regulación de voltaje en un transformador se requiere entender las caídas de voltaje que se producen en su interior. Consideremos el circuito equivalente del transformador simplificado de la figura 5.10. Los efectos de la rama de excitación en la regulación de voltaje del transformador puede, ignorarse, por lo tanto, que solamente las impedancias en serie deben tomarse en cuenta. La regulación de voltaje de un transformador depende tanto de la magnitud de estas impedancias como del ángulo fase de la corriente que circula por el transformador. La forma más fácil de determinar el efecto de la impedancia y de los ángulos de fase de la corriente circulante en la regulación de voltaje del transformador es analizar el Diagrama Fasorial, un esquema de los voltajes y corrientes fasoriales del transformador.

Figura 5.10 En los diagramas siguientes, el voltaje fasorial VS se supone con un ángulo de 0° y todos los demás voltajes y corrientes se comparan con dicha suposición. Si se aplica la ley de voltajes de Kirchhoff al circuito equivalente de la figura 5.10 (b), el voltaje primario se halla: VP / a = VS + REQ IS + j XEQ IS Un diagrama fasorial de un transformador es una representación visual de esta ecuación. La figura 5.8 (diagrama fasorial) nos muestra un diagrama fasorial de un transformador que trabaja con un factor de potencia atrasado. Es muy fácil ver que VP / a VS para cargas en atraso, así que la regulación de voltaje de un transformador con tales cargas debe ser mayor que cero. La figura 5.9 (a) (capítulo diagrama fasorial) puede verse un diagrama fasorial con un factor de potencia igual a uno. Aquí nuevamente se ve que el voltaje secundario es menor que el primario, de donde VR 0. Sin embargo, en esta oportunidad la regulación de voltaje

es un número más pequeño que el que tenía con una corriente en atraso. Si la corriente secundaria está adelantada, el voltaje secundario puede ser realmente mayor que el voltaje primario referido. Si esto sucede, el transformador tiene realmente una regulación negativa como se ilustra en la figura 5.9 (b) (capítulo diagrama fasorial). Los transformadores también se comparan y valoran de acuerdo con su eficiencia. La eficiencia o rendimiento de un artefacto se puede conocer por medio de la siguiente ecuación:  

= PSAL / PENT * 100 % = PSAL / ( PSAL + PPÉRDIDA ) * 100 %

Esta ecuación se aplica a motores y generadores, así como a transformadores. Los circuitos equivalentes del transformador facilitan mucho los cálculos de la eficiencia. Hay tres tipos de pérdidas que se representan en los transformadores:   

Pérdidas en el cobre. Pérdidas por histéresis. Pérdidas por corrientes parásitas.

8. TRANSFORMADOR TRIFASICO.

8.1. CIRCUITOS EQUIVALENTES. Casi todos los sistemas importantes de generación y distribución de potencia del mundo son, hoy en día, sistemas de c.a. trifásicos. Puesto que los sistemas trifásicos desempeñan un papel tan importante en la vida moderna, es necesario entender la forma como los transformadores se utilizan en ella. Los transformadores para circuitos trifásicos pueden construirse de dos maneras. Estas son:  

Tomando tres transformadores monofásicos y conectándolos en un grupo trifásico. Haciendo un transformador trifásico que consiste en tres juegos de devanados enrollados sobre un núcleo común.

Para el análisis de su circuito equivalente, conviene representar cada uno de los transformadores monofásicos que componen un banco trifásico por un circuito equivalente. Como los efectos de las capacidades de los devanados y de los armónicos de las corrientes de excitación suelen ser despreciables, podrá utilizarse cualquiera de los circuitos equivalentes deducidos para el caso de los monofásicos; los más útiles para el presente estudio son los de la figura 5.10.

Figura 5.12 Circuitos equivalentes para un transformador sólo En ellos, el transformador está representado, como en el teorema de Thévenin, por su impedancia en cortocircuito en serie con su tensión en circuito abierto; la razón de las tensiones en circuito abierto está representada por un transformador ideal; y las características de excitación están representadas por la admitancia en circuito abierto. Los valores de los parámetros pueden obtenerse a partir de los datos de diseño o ensayos en circuito abierto o en cortocircuito tomados a uno u otro lado del transformador, y estos valores se pueden emplear, sin modificación, o en el circuito equivalente de la figura 5.10a (en el cual se coloca la admitancia de excitación en el lado primario) o en el circuito equivalente de la figura 5.10b (en el cual se coloca la admitancia de excitación en el lado del secundario) En muchos problemas, los efectos de la corriente de excitación son tan pequeños que puede despreciarse por completo la corriente de excitación y representarse el transformador por su impedancia equivalente en serie con un transformador ideal. Si se quiere, las impedancias equivalentes y admitancias de excitación de la figura 5.10 se puede referir al otro lado del transformador multiplicando o dividiendo, según sea el caso, por el cuadrado de la razón de transformación.

El circuito equivalente de un banco trifásico de transformadores puede trazarse conectando los circuitos equivalentes de las unidades de acuerdo con las conexiones del banco. Por ejemplo, en la figura 5.12a puede verse el circuito equivalente de un banco estrella-estrella y en la figura 5.12b un circuito equivalente de un banco triángulo. En la figura 5.12, las Y representan las admitancias en circuito abierto o de excitación y las Z las impedancias en cortocircuitos o equivalentes.

Figura 5.13. Circuitos equivalentes trifásicos; a) Conexión estrella-estrella, y b) Conexión triángulo-triángulo. En el análisis de sistemas de potencia es frecuentemente necesario combinar las impedancias de los transformadores con las impedancias de las líneas de transmisión a las que están conectados. Luego, resulta a menudo conveniente representar un grupo de devanados conectados en triángulo por un circuito equivalente conectado en estrella, ya que en la conexión en estrella las impedancias equivalentes que representan a los transformadores están en serie con los tres terminales de línea y por lo tanto pueden sumarse directamente a las impedancias de fase de los circuitos de transmisión. Ya se sabe que, visto desde sus tres terminales, un triángulo de elementos de circuito puede sustituirse por una estrella equivalente. Así, las admitancias de excitación YAB, YBC, YCA conectadas en triángulo de la figura 5.13b son equivalentes a las admitancias YA, YB, YC conectadas en estrella cuyos valores vienen dados por las conocidas relaciones. 

YA = (YAB YBC + YBC YCA + YBC YCA ) / YBC



YB = (YAB YBC + YBC YCA + YBC YCA) / YCA



YC = (YAB YBC + YBC YCA + YBC YCA) / YAB

Además, las impedancias Zab, Zbc, Zca de la figura 5.13b que forman parte de un sistema conectado en triángulo, pueden sustituirse por impedancias conectadas en estrella. Así, el teorema de Thévenin, el banco triángulo-triángulo de la figura 5.13b es equivalente en su lado de secundarios a un generador conectado en estrella que cree las mismas tensiones de secundario entre línea y línea en circuito abierto y conectado en serie con impedancias cuyos valores sean las equivalentes en estrella de las impedancias en cortocircuito de los transformadores medidas desde los terminales de sus secundarios. Luego, los transformadores ideales conectados en triángulo-triángulo de la figura 5.13b pueden sustituirse por un banco estrella-estrella que dé las mismas tensiones en circuito abierto, y las impedancias en cortocircuito de los transformadores pueden representarse por impedancias en estrella conectadas en serie con cada terminal de línea. Las relaciones entre las impedancias en cortocircuito Za, Zb, Zc vienen dadas por las conocidas relaciones, 

Za = (Zab Zca) / (Zab + Zbc + Zca)



Zb = (Zab Zbc) / (Zab + Zbc + Zca)



Zc = (Zbc Zca) / (Zab + Zbc + Zca)

Por tanto, por lo que concierne a sus efectos sobre los circuitos exteriores, un grupo de devanados conectados en triángulo puede representarse por un circuito equivalente conectado en estrella, como en la figura 5.13a, con tal que los parámetros de la estrella equivalente estén relacionados con los parámetros reales de los transformadores conectados en triángulo en la forma indicada por las ecuaciones anteriores y con tal que las tensiones en circuito abierto entre línea y línea del circuito equivalente conectado en estrella sean las mismas que las de los devanados conectados en triángulo. Es decir, en el caso de un banco triángulo-triángulo los transformadores ideales pueden sustituirse por un banco estrella-estrella que dé las mismas tensiones de funcionamiento. Análogamente, a menudo se representa un banco triángulo-estrella (o estrella-triángulo) por un circuito equivalente estrella-estrella, como en la figura 5.13a, que dé las mismas magnitudes de las tensiones en circuito abierto entre línea y línea. Sin embargo, a causa del desfasaje introducido por la conexión triángulo-estrella, el circuito equivalente estrella-estrella de un banco triángulo-estrella no presenta las relaciones correctas de fase entre las corrientes de primario y secundario o entre las tensiones de primario y secundario, aun cuando presente correctamente las relaciones entre las corrientes y tensiones de cada lado. 8.2. CONEXIONES TRIFASICAS. 8.2.1.

CONEXIONES DE TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

Un transformador trifásico consta de tres transformadores monofásicos, bien separados o combinados sobre un núcleo. Los primarios y secundarios de cualquier transformador trifásico pueden conectarse independientemente en estrella (Y) o en su caso en delta (Y). Esto da lugar a cuatro conexiones posibles para un transformador trifásico.



Conexión estrella (

)- estrella (



Conexión estrella (

)- delta (

)



Conexión delta (

)- estrella (

)



Conexión delta (

)- delta (

8.2.2.

)

)

Conexión estrella (Y)- estrella (Y)

La conexión (Y – Y) de los transformadores se muestra en la figura 5.14

Conexión Y-Y En una conexión Y--Y, el voltaje primario de cada fase se expresa por VFP=VLP / 3. El voltaje de la primera fase se enlaza con el voltaje de la segunda fase por la relación de espiras del transformador. El voltaje de fase secundario se relaciona, entonces, con el voltaje de la línea en el secundario por VLS = 3 * VFS. Por tanto, la relación de voltaje en el transformador es VLP / VLS = ( 3 * VFP) / ( 3 * VFS) = a Se emplea en sistemas con tensiones muy elevadas, ya que disminuye la capacidad de aislamiento. Esta conexión tiene dos serias desventajas.  

Si las cargas en el circuito del transformador están desbalanceadas, entonces los voltajes en las fases del transformador se desbalancearán seriamente. No presenta oposición a los armónicos impares (especialmente el tercero). Debido a esto la tensión del tercer armónico puede ser mayor que el mismo voltaje fundamental.

Ambos problemas del desbalance y el problema del tercer armónico, pueden resolverse usando alguna de las dos técnicas que se esbozan a continuación. 



CONECTAR SÓLIDAMENTE A TIERRA EL NEUTRO PRIMARIO DE LOS TRANSFORMADORES. Esto permite que los componentes adicionales del tercer armónico, causen un flujo de corriente en el neutro, en lugar de causar gran aumento en los voltajes. El neutro también proporciona un recorrido de retorno a cualquier corriente desbalanceada en la carga. AGREGAR UN TERCER EMBOBINADO (TERCIARIO) CONECTADO EN DELTA AL GRUPO DE TRANSFORMADORES. Esto permite que se origine un flujo de corriente circulatoria dentro del embobinado, permitiendo que se eliminen los componentes del tercer armónico del voltaje, en la misma forma que lo hace la conexión a tierra de los neutros.

De estas técnicas de corrección, una u otra deben usarse siempre que un transformador Y -Y se instale. En la práctica muy pocos transformadores de estos se usan pues el mismo trabajo puede hacerlo cualquier otro tipo de transformador trifásico. 8.2.3.

CONEXIÓN ESTRELLA (Y )- DELTA(Y)

La conexión Y-

de los transformadores trifásicos se ilustran en la figura 5.15

Figura 5.15 Conexión Y-En esta conexión el voltaje primario de línea se relaciona con el voltaje primario de fase mediante VLP = 3 * VFP, y el voltaje de línea secundario es igual al voltaje de fase secundario VLS = VFS. La relación de voltaje de cada fase es VFP / VFS = a

De tal manera que la relación total entre el voltaje de línea en el lado primario del grupo y el voltaje de línea en el lado secundario del grupo es VLP / VLS = ( 3 * VFP) / VFS VLP / VLS = ( 3 * a) La conexión

no tiene problema con los componentes del tercer armónico en

sus voltajes, ya que ellos se consumen en la corriente circulatoria del lado delta ( ). Está conexión también es más estable con relación a las cargas desbalanceadas, puesto que la delta ( ) redistribuye parcialmente cualquier desbalance que se presente. Esta disposición tiene, sin embargo, un problema. En razón de la conexión delta ( ), el voltaje secundario se desplaza 30º con relación al voltaje primario del transformador. El hecho de que un desplazamiento de la fase haya ocurrido puede causar problemas al conectar en paralelo los secundarios de dos grupos de transformadores. Los ángulos de fase de los transformadores secundarios deben ser iguales si se supone que se van a conectar en paralelo, lo que significa que se debe poner mucha atención a la dirección de desplazamiento de 30º de la fase, que sucede en cada banco de transformadores que van a ser puestos en paralelo. En estados unidos se acostumbra hacer que el voltaje secundario atrase al primario en 30º. Aunque esto es lo reglamentario, no siempre se ha cumplido y las instalaciones más antiguas deben revisarse muy cuidadosamente antes de poner en paralelo con ellos un nuevo transformador, para asegurarse que los ángulos de fase coincidan. La conexión que se muestra en la figura 5.15 hará que el voltaje secundario se atrase, si la secuencia es abc. Si la secuencia del sistema fase es acb, entonces la conexión que se ve en la figura 5.15 hará que el voltaje secundario se adelante al voltaje primario en 30º. Se usa en los sistemas de transmisión de las subestaciones receptoras cuya función es reducir el voltaje. En sistemas de distribución es poco usual (no tiene neutro) se emplea en algunas ocasiones para distribución rural a 20 KV.

82.4. Conexión delta ( La conexión

-

)- estrella (

)

de los transformadores trifásicos se ilustra en la figura 5.16.

Figura 5.16 Conexión En una conexión

- , el voltaje de línea primario es igual al voltaje de fase primario,

VLP=VFP, en tanto que los voltajes secundarios se relacionan por VLS = 3 *VFS, por tanto la relación de voltaje línea a línea de esta conexión es VLP / VLS = VFP / ( 3 * VFS) VLP / VLS = a / 3 Esta conexión tiene las mismas ventajas y el mismo desplazamiento de fase que el transformador

. La conexión que se ilustra en la figura 5.16, hace que el voltaje

secundario atrase el primario en 30º, tal como sucedió antes. Se usa en los sistemas de transmisión en los que es necesario elevar tensiones de generación. En sistemas de distribución industrial, su uso es conveniente debido a que se tiene acceso a dos tensiones distintas, de fase y línea. 5.13.1.4.- Conexión delta ( La conexión

-

)- delta (

)

se ilustra en la figura 5.17

Figura 5.17 conexión En una conexión de estas, VLP = VFP VLS = VFS Así que la relación entre los voltajes de línea primario y secundario es VLP / VLS = VFP / VFS = a Esta conexión se utiliza frecuentemente para alimentar sistemas de alumbrado monofásicos y carga de potencia trifásica simultáneamente, presenta la ventaja de poder conectar los devanados primario y secundario sin desfasamiento, y no tiene problemas de cargas desbalanceadas o armónicas. Sin embargo, circulan altas corrientes a menos que todos los transformadores sean conectados con el mismo tap de regulación y tengan la misma razón de tensión.

9. MATERIALES ELECTRICOS TRANSFORMADORES. 9.1. Conductores eléctricos.

USADOS

EN

LA

CONSTRUCCION

DE

Los materiales usados como conductores en los transformadores, al igual que los usados en otras máquinas eléctricas, deben ser de alta conductividad, ya que con ellos se fabrican las bobinas. Los requisitos fundamentales que deben cumplir los materiales conductores, son los siguientes: La más alta conductividad posible. • • • • •

El menor coeficiente posible de temperatura por resistencia eléctrica. Una adecuada resistencia mecánica. Deben ser ductibles y maleables. Deben ser fácilmente soldables. Tener una adecuada resistencia a la corrosión.

La resistividad o resistencia específica, la tensión disruptiva, la permitividad y la histéresis dieléctrica en adición a las propiedades dieléctricas se deben considerar también las propiedades mecánicas y su capacidad para soportar la acción de agentes químicos, el calor y otros elementos presentes durante su operación.

9.2. LA TEMPERATURA Y LOS MATERIALES AISLANTES. Uno de los factores que más afectan la vida de los aislamientos, es la temperatura de operación de las máquinas eléctricas, esta temperatura está producida principalmente por las pérdidas y en el caso específico de los transformadores, durante su operación, estas pérdidas están localizadas en los siguientes elementos principales: 



El núcleo o circuito magnético, aquí las pérdidas son producidas por el efecto de histéresis y las corrientes circulantes en las laminaciones, son dependientes de la inducción, es decir, que influye el voltaje de operación. Los devanados, aquí las pérdidas se deben principalmente al efecto joule y en menos medida por corrientes de Foucault, estas pérdidas en los devanados son dependientes de la carga en el transformador.

Se presentan también pérdidas en las uniones o conexiones que se conocen también como “puntos calientes” así como en los cambiadores de derivaciones. Todas estas pérdidas producen calentamiento en los transformadores, y se debe elimina este calentamiento a valores que no resultan peligrosos par also aislamientos, por medio de la aplicación de distintos medios de enfriamiento. Con el propósito de mantener en forma confiable y satisfactoria la operación de las maquinas eléctricas, el calentamiento de cada una de sus partes, se debe controlar dentro de ciertos límites previamente definidos. Las pérdidas en una máquina eléctrica son importantes no tanto porque constituyan una fuente de ineficiencia, sino porque pueden representar una fuente importante de elevación de temperatura para los devanado, esta elevación de temperatura puede producir efectos en los aislamientos de los propios devanados, o bien en los aislamientos entre devanados y el núcleo, por esta razón, es siempre importante que todos los aislamientos entre devanados y el núcleo, por esta razón, es siempre importante que todos los aislamientos ese mantengan dentro de los límites de temperatura que garanticen su correcta operación, sin perder su efectividad.

Como la elevación en la temperatura depende también de la carga en las máquinas dentro de sus límites de carga o “cargabilidad” establecidos, para así respetar los límites de temperatura de sus aislamientos. En su régimen nominal de operación, un transformador tiene estrechamente, ligado su voltaje y potencia a los límites impuestos por los aislamientos usados y en menor grado por las pérdidas por efecto joule. 9.3. CALIFICACIÓN DE LOS MATERIALES AISLANTES. La clasificación de los materiales aislantes para máquinas eléctricas con relación a su estabilidad terminal, cubre básicamente siete clases de materiales aislantes que se usan por lo general y que son los siguientes:

CLASE

TEMPERATURA

Y

90 oC

A

105 oC

E

120 oC

B

130 oC

F

155 oC

H

180 oC

C

Mayor a 180 oC

Una descripción breve de estos materiales se dan a continuación: 

Clase Y. Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales, tales como algodón, seda y papel sin impregnar.



Clase A. Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como el algodón, sed ya papel con alguna impregnación o recubrimiento o cuando se sumergen en dialécticos líquidos tales como aceite. Otros materiales o combinación de materiales que caigan dentro de estos límites de temperatura, pueden caer dentro de esta categoría.



Clase E. Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales que por experiencia o por pruebas, pueden operar a temperaturas hasta de 5 oC, sobre el temperatura de los aislamientos Clase A.



Clase B. Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como la única, fibra de vidrio, asbestos, etc. con algunas substancias aglutinantes, pueden haber otros materiales inorgánicos.



Clase F. Este aislamiento consiste en materiales o combinaciones de materiales tales como mica, fibra de vidrio, asbesto, etc., con sustancias aglutinables, así como otros materiales o combinaciones de materiales no necesariamente inorgánicos.



Clase H. Este aislamiento consiste de materiales tales como el silicón, elastómetros y combinaciones de materiales tales como la mica, la fibra de vidrio, asbestos, etc., con sustancias aglutinables como son las resinas y silicones apropiados.



Clase C. Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como la mica, la porcelana, vidrio, cualzo con o sin aglutinantes.

10. PRINCIPALES CONEXIONES DE LOS TRANSFORMADORES 10.1.

CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS

A menudo, cuando se requiere aumentar la potencia de un transformador monofásico, se le acopla otro transformador en paralelo. Para implementar esto, se debe respetar los valores del voltaje en el bobinado primario, voltaje en el bobinado secundario, la impedancia de los bobinados y que guarden una relación de 4:1 como máximo entre primario y secundario. Para acoplar dos transformadores monofásicos se puede seguir el siguiente procedimiento práctico:



La conexión de los bobinados primarios se hace normalmente y en forma definitiva, H1 con H1 y H2 con H2. (ver diagrama superior)



En el secundario, la conexión que une los bornes intermedios de estos bobinados y que corresponden al neutro (N) también se puede hacer en forma definitiva. (ver diagrama de la izquierda)



Se hace un puente provisional en los bornes del lado izquierdo y se intercala un voltímetro en los bornes del lado derecho.(ver el diagrama inferior)



Luego se alimenta el banco.



Si los transformadores tienen polaridad distinta, el voltímetro indicará algún valor de voltaje.



Si los transformadores tienen la misma polaridad, el voltímetro no indicará ningún voltaje.

En este último caso se pueden hacer los puentes en forma definitiva. (Diagrama de la derecha) De lo contrario se intercambian los puentes. 10.2.

CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

Para obtener una corriente eléctrica trifásica es necesaria la implementación de un banco de transformadores trifásico. El valor de la corriente es determinado por el tipo de conexión de transformadores que se utilice. El tipo de conexión en los bobinados primarios de los transformadores dependerá del valor del voltaje de la red y de los mismos bobinados primarios de los transformadores. El tipo de conexión secundaria está determinado por el valor de voltaje que se desee. Hay las siguientes opciones de bancos trifásicos:

10.3.

CONEXIÓN ESTRELLA

10.4.

CONEXIÓN DELTA

10.5.

CONEXIÓN ESTRELLA RENCA (SOLAMENTE EN EL PRIMARIO)

10.6.

CONEXIÓN DELTA ABIERTA (SOLAMENTE EN EL PRIMARIO)

Nota: Las conexiones se hacen en los secundarios de los transformadores a no ser que se indique lo contrario. 11. PRUEBAS A TRANSFORMADORES Las pruebas se hacen en los transformadores y sus accesorios por distintas razones, durante su fabricación, para verificar la condición de sus componentes, durante la entrega, durante su operación como parte del mantenimiento, después de su reparación, etc. Algunas de las pruebas que se hacen en los transformadores e consideran como básicas y algunas otras varían de acuerdo a la condición individual de los transformadores y

pueden cambiar de acuerdo al tipo de transformador, por lo que existen distintas formas de clasificación delas pruebas a transformadores, por ejemplo, algunos las clasifican en prueba de baja tensión y prueba de alta tensión o también se pueden agrupar como pruebas preliminares, intermedias y de verificación 11.1.

TIPOS DE PRUEBAS

11.1.1. PRUEBAS DESTRUCTIVAS En estas pruebas se somete al transformador a castigo severo hasta que este falla estas pruebas son poco común por que se daña permanentemente al transformador generalmente estas pruebas las realiza el fabricante como control de calidad y en investigación, algunas de estas son: 

PRUEBAS DE RESISTENCIA: Los puntos con alta resistencia en partes de conducción, son fuente de problemas en los circuitos eléctricos, ya que originan caídas de voltaje, fuentes de calor, pérdidas de potencia, etc.; ésta prueba nos detecta esos puntos.



PRUEBAS DE CORTO CIRCUITO: En la prueba de cortocircuito los terminales del secundario del transformador se cortocircuitan y los del primario se conectan a una fuente adecuada de voltaje. El voltaje de entrada se ajusta hasta que la corriente de los devanados cortocircuitados sea igual a su valor nominal (asegurándonos de mantener un voltaje bajo). De nuevo, se miden el voltaje, la corriente y la potencia de entrada. Ya que el voltaje de entrada es tan pequeño durante la prueba, la corriente que fluye por la rama de excitación es despreciable. Si la corriente de excitación se ignora, toda la caída de voltaje en el transformador puede ser atribuida a los elementos del circuito en serie.



PRUEBAS DE HUMEDAD: La humedad en la parte sólida del aislamiento de papel es uno de los factores más importantes en relación al estado de los transformadores de potencia. La humedad puede entrar en el aislamiento de un transformador desde la atmósfera durante la instalación o reparación. Un aumento en el contenido de humedad en el aislamiento de papel acelera el proceso de envejecimiento. La humedad es también un subproducto del proceso de envejecimiento.

La entrada de humedad en el aislamiento de papel impregnado en aceite tiene efectos peligrosos. La resistencia dieléctrica se reduce, la celulosa envejece más rápidamente y se forman burbujas de gas a altas temperaturas. Todos estos efectos aumentan el riesgo de un corte eléctrico repentino. Por lo tanto, la determinación del contenido de humedad dentro del aislamiento es una manera muy importante de evaluar la fiabilidad y la vida útil de un transformador.  

Pruebas de impacto Pruebas de temperaturas 11.1.2. PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS

Estas son las pruebas que comúnmente se realizan en la industria como mantenimiento preventivo para asegurar su buen funcionamiento si en algunas de estas pruebas se tienen como resultados valores fuera de la norma se tendrá a proceder un plan de mantenimiento, algunas de estas son: 

PRUEBA DE AISLAMIENTO: Consiste en verificar que los aislamientos del transformador bajo prueba cumplen con la resistencia mínima soportable bajo la operación a la que serán sometidos, así como de comprobar la no inadecuada conexión entre sus devanados y tierra para avalar un buen diseño del producto y que no exista defectos en el mismo.



PRUEBA AL ACEITE DIELÉCTRICO: Es conveniente monitorear la condición del aceite mediante la realización de pruebas en laboratorio, con el fin de realizar oportunamente el reacondicionamiento y/o cambio del mismo, antes de que dicho aceite se deteriore al punto que se pueda esperar una falla.

Las características físico-electro-químicas del aceite, el voltaje, la potencia, construcción y condiciones de servicio del transformador determinarán sí se debe seguir un programa anual de pruebas o uno más frecuente

11.2. 

PRUEBAS FÍSICAS

APARIENCIA VISUAL. Se verifica que el aceite sea brillante y transparente, sin sedimentos, ni sólidos en suspensión.



COLOR. Es un número que indica el grado de refinación de un aceite nuevo, y en un aceite en servicio indica el grado de envejecimiento y/o contaminación.



TENSIÓN INTERFACIAL. Se mide la concentración de moléculas polares en suspensión y en solución con el aceite; por lo tanto proporciona una medición muy precisa de los precursores de sedimento disuelto en el aceite mucho antes de que algún sedimento se precipite.

11.3.

PRUEBAS ELÉCTRICAS



FACTOR DE POTENCIA. Es una de las pruebas más significativas para evaluar un aceite aislante. Un bajo factor de potencia indica bajas perdidas dieléctricas y un bajo nivel de contaminantes o bajo deterioro del aceite.



RIGIDEZ DIELÉCTRICA. Se mide el voltaje en el cual el aceite tiene una ruptura. Dicha prueba es muy útil en campo, ya que indica la presencia de agentes contaminantes como agua; aunque un buen valor de rigidez dieléctrica no garantiza la ausencia de ácidos y sedimentos.

11.4. 

PRUEBAS QUÍMICAS CONTENIDO DE HUMEDAD. Un bajo contenido de agua, refleja en el aceite una alta rigidez dieléctrica, minimiza la oxidación del aceite y la corrosión de los metales del transformador.



NUMERO DE NEUTRALIZACIÓN. Es un número usado como medida de los constituyentes ácidos presentes en un aceite. Un valor bajo, indica una baja conducción eléctrica y baja corrosión. (ingenieria)

12. BIBLIOGRAFIA



APRENDIENDO DE LA ELECTRICIDAD. (18 de ENERO de 2013). Recuperado el 26 de 06 de 2017, de APRENDIENDO DE LA ELECTRICIDAD: https://tecnologiaalanhernandez.wordpress.com/2013/01/18/regulacion-de-tensionde-un-transformador/



Arboit, I. M. (s.f.). MAQUINAS ELECTRICAS. Junín.



ingenieria. (s.f.). Recuperado el 26 de 06 de 2017, de ingeneria: https://maquinaselectricasunam.jimdo.com/temario/transformadores/pruebas-atransformadores/



TECNOLOGIA INDUSTRIAL.ES. (s.f.). Recuperado el 24 de 06 de 2017, de TECNOLOGIA INDUSTRIAL.ES: http://www.tecnologiaindustrial.es/Transformador.htm



Unideg, A. d. (20 de DICIEMBRE de 2013). TAREASUNIVERSITARIAS.COM. Recuperado el 26 de 06 de 2017, de TAREASUNIVERSITARIAS.COM: http://tareasuniversitarias.com/perdidas-en-los-devanados-a-plena-carga.html



Unideg, A. d. (21 de DICIEMBRE de 2013). TAREASUNIVERSITARIAS.COM. Recuperado el 26 de 06 de 2017, de TAREASUNIVERSITARIAS.COM:

http://tareasuniversitarias.com/determinacion-de-las-constantes-deltransformador.html    

Transformadores y Motores de inducción. Enríquez Harper Electrónica de Potencia “Curso Superior” Woligang Muller Máquinas Eléctricas. Stephen J. Chapman Transformadores Industriales. Francisco L. Singer

I.E.S.T.P. JOSE CARLOS MARIATEGUI

TRABAJO MONOGRAFICO ¨TRANSFORMADORES

INTEGRANTES:

CARRERA PROFESIONAL:

Electrotecnia Industrial

CURSO:

Fundamentos de Electrotecnia

DOCENTE:

Eloy Choque V.

SEMESTRE:

I

MOQUEGUA – PERU 2017