el transformador
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EL TRANSFORMADOR
El transformador es uno de los dispositivos más importantes de una red de distribución, ya
que permite elevar o reducir los niveles de voltaje y por consiguiente las corrientes en las
redes eléctricas de corriente alterna. Está constituido por dos o más bobinas devanadas
con alambre o solera de cobre, aisladas entre sí eléctricamente y enrolladas alrededor de
un núcleo de material ferromagnético
Estas características son las que hacen posible la transmisión de energía eléctrica a
grandes distancias desde las plantas generadoras a los centros de consumo y dentro de
estos permiten su distribución en forma segura a los hogares y fábricas.
Dentro de las redes eléctricas, los transformadores realizan las siguientes funciones:
Transfieren energía eléctrica de un circuito a otro, conservando la frecuencia constante.
Esta función la realiza bajo el principio de inducción electromagnética. Sus circuitos
eléctricos están eslabonados magnéticamente pero aislados eléctricamente. Usualmente
la transferencia de energía eléctrica la realizan con un cambio de voltaje, aunque esto no
es condición indispensable.
El transformador consta en su forma más simple de dos bobinas estacionarias (dos
devanados) que se acoplan por medio de un flujo magnético mutuo. Se dice que las
bobinas se acoplan cuando el flujo magnético que eslabona con una bobina también lo
hace con la otra.
El principio de operación del transformador, se basa en la transferencia de la energía
eléctrica por inducción de un devanado a otro, lo cual se basa en las siguientes
consideraciones:
a) Cuando por las espiras de un devanado se hace circular una corriente, se produce
un flujo magnético. En un arrollamiento con núcleo de aire, como el que se
representa en la figura 1, el flujo se encuentra disperso y la densidad de flujo
magnético es muy baja.
Figura 1 Flujo producido por una bobina de núcleo de aire
b) Si el mismo arrollamiento se devana sobre un núcleo de material ferromagnético,
se produce un campo concentrado cuya trayectoria principal está determinada por
el circuito magnético, como el que se muestra en la figura 2. Dicho campo es
alterno y su frecuencia depende de la frecuencia de la fuente. En este caso el flujo
disperso es mínimo y la densidad de flujo en el núcleo es elevada.
c) De acuerdo con la ley de Faraday, si al circuito magnético descrito en el inciso
anterior se le devana otra bobina, se obtendrá un voltaje inducido en sus
terminales, como se muestra en la figura 3.
Figura 2. Dirección del flujo de una bobina con núcleo de
hierro
Figura 3. Voltaje inducido en el devanado secundario
Diagrama elemental de un transformador.
Φ: Flujo inducido
Vp: Voltaje primario
Ip: Corriente primaria
Np: Número de vueltas del devanado primario
Vs: Voltaje inducido en el devanado secundario
Is: Corriente secundaria
Ns: Número de vueltas del devanado secundario
Clasificación de los transformadores
Los transformadores se pueden clasificar de diferentes maneras dependiendo de la
característica particular que se tome como referencias. Las clasificaciones más
comúnmente utilizadas a nivel mundial son las siguientes:
a) Por su capacidad
I. De pequeña potencia, con capacidades de 500 a 7500 KVA
II. De media potencia, con capacidades de 7.5 a 10 MVA
III. De gran potencia, con capacidades de 10 MVA y superiores.
Por su forma de núcleo
Núcleo de columna
El transformador tipo columna tiene como característica principal que las
bobinas envuelven al núcleo magnético, como se muestra en la figura 5. El
diseño tiene como ventajas un bajo costo inicial, una alta impedancia y
menores costos de reparación; y como desventajas tiene una baja
resistencias mecánica y menor regulación.
Figura 4 Diagrama elemental de un transformador
Núcleo envolvente
Están provistos de núcleos de ferrita divididos en dos mitades que, como
una concha, envuelven los embobinados. Evitan los flujos de dispersión.
Núcleo acorazado
Al transformador tipo acorazado también se le conoce como tipo Shell. Su
característica principal lo define el hecho de que el núcleo magnético
envuelve a las bobinas, como se muestra esquemáticamente en la figura 6.
Las ventajas de este diseño son su alta resistencia mecánica, que permite
transportarlos en unidades de gran capacidad sin sufrir daños y la
posibilidad de construirlos con baja impedancia de dispersión, cuando la
regulación de voltaje del sistema es crítica.
Figura 5 Transformador tipo columna
Figura 6 Transformador tipo acorazado ó Shell
b) Por tipo de regulación
Regulación fija
Regulación variable sin carga
Regulación variable con carga
c) Por número de fases
Monofásicos
Existe la tendencia a utilizar transformadores monofásicos, debido a que
permiten una mayor flexibilidad de operación. En caso de una falla sólo se
ve afectada una unidad, la cual puede reemplazarse con la unidad de
reserva.
Trifásicos
En el caso de un transformador trifásico, la unidad completa se ve
afectada, debido a que la falla contamina el aceite, y las bobinas de las
fases inicialmente no involucradas también se ven afectadas, por lo que es
necesario sustituir la unidad completa. El costo de un banco de
transformadores monofásico es significativamente más alto, comparado
con el de un trifásico.
d) Por el número de devanados
De un devanado o auto transformador
De dos devanados
De tres devanados
e) Por el medio refrigerante para el enfriamiento de los devanados
Aire o transformadores tipo seco.- El circuito magnético está aislado (o
recubierto) con un material aislante seco de varios componentes. La
refrigeración se consigue por medio del aire ambiente, sin líquido
intermedio. Este tipo de transformador tiene la ventaja de no presentar
ningún riesgo de fuga o contaminación. En contrapartida requiere
precauciones de instalación y mantenimiento (local ventilado, eliminación
del polvo
Aceite o transformadores sumergidos.- El circuito magnético y los
devanados están sumergidos en un dieléctrico líquido que garantiza el
aislamiento y la evacuación de las pérdidas caloríficas del transformador.
Este líquido se dilata en función de la carga y de la temperatura ambiente
f) Por el medio de enfriamiento
g) Por su aplicación
Elevadores.- Este tipo de transformadores nos permiten, como su nombre
lo dice elevar la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada.
Esto quiere decir que la relación de transformación de estos
transformadores es menor a uno. Estos transformadores se utilizan en los
sistemas de transmisión.
Reductores.- Estos transformadores nos reducen la tensión de salida con
respecto a la tensión de entrada se utilizan en los sistemas de distribución.
Para instrumentos.- Este tipo de transformadores nos sirve para hacer
medición y control en los circuitos de distribución.
Transformadores de corriente se usan para transformar la corriente, en el
devanado secundario este tipo de transformadores nos entrega una
corriente de 5 Amp.
Transformadores de potencial se usan para transformar el potencial, en el
devanado secundario este tipo de transformadores nos entrega un
potencial de 115 ó 120 Volts.
Reguladores.- se utiliza para el control de la tensión en el lado de salida de
una línea de acuerdo con las variaciones de la tensión en el lado de la
línea de entrada.
Para aislamiento.- Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el
secundario, de manera que consigue una alimentación o señal "flotante".
Suele tener una relación 1:1. Se utiliza principalmente como medida de
protección, en equipos que trabajan directamente con la tensión de red.
h) Por su ambiente de operación
En esta clasificación se considera los transformadores del tipo interior o
intemperie. El diseño de la subestación determina el tipo de equipo que se
deben utilizarse. Para transformadores de gran capacidad, prácticamente
todos son del tipo intemperie, de otra forma, se requiere un edificio de
mayor área y con distancias dieléctricas seguras. Los transformadores tipo
caverna utilizados en instalaciones subterráneas son de gran capacidad y
son prácticamente iguales a los instalados a la intemperie, excepto que las
terminales de salida son a través de cables de energía (cables de
potencia).
i) Por la preservación del aceite, se tiene los siguiente tipos:
Con tanque conservador
Los transformadores con tanque conservador, utilizan diferentes métodos
para preservar las propiedades del aceite, aislándolo del medioambiente y
regulando la presión de salida de los gases.
Los métodos comúnmente utilizados son:
I. Respiración a través de sílica gel
II. Sellados con:
Bolsa elástica
Diafragma
Nitrógeno
Sin tanque conservador
Estos equipos no cuentan con tanque conservador, pero tienen uno de los
siguientes métodos de preservación del aceite:
I. Sellado con aire o nitrógeno
II. Respiración a través de sílica gel
j) Por su conexión
Conexión Delta/ Estrella (∆-Υ)
Se utilizan como transformadores elevadores en las centrales generadoras,
ya que al disponer de un neutro en el secundario, que se puede conectar a
tierra, se logra que la tensión de las fases se limite a la tensión nominal del
sistema. Otra ventaja importante de esta conexión, es que aísla la corriente
de falla a tierra entre los dos circuitos del primario y secundario. Cuando se
presenta una falla monofásica, la corriente que se genera circula
únicamente en el circuito donde ocurre la falla, por lo que el otro circuito no
se ve afectado. También se utiliza como transformadores de distribución,
cuando se requiere alimentar cargas monofásicas y trifásicas. Los
desequilibrios de las cargas monofásicas tienden a ser compensadas por el
primario conectado en delta.
Conexión Estrella/Delta (Υ-∆)
Se utilizan como transformadores reductores y se conectan al final de una
línea de transmisión. Son utilizados con menor frecuencia en sistemas de
distribución, debido a que el secundario no tiene neutro. En algunas
ocasiones, se utiliza para distribución de energía hasta 20 kV.
La conexión estrella-delta, ayuda a disminuir los efectos de la componente
del tercer armónico de la señal de voltaje, en virtud de que éstos se anulan
con la corriente que circula en el lado de la delta. Esta conexión es estable
con relación a las cargas desbalanceadas, ya que la delta redistribuye
parcialmente cualquier desbalance que se presente. En esta conexión, el
voltaje secundario se desplaza 30° con relación al voltaje primario del
transformador.
Conexión Estrella/Estrella (Υ-Υ)
Los devanados del primario y secundario están conectados en estrella.
Una de sus característica es que la tensión de línea es 1.73 veces mayor
que la tensión de fase. Generalmente, un transformador con esta conexión
es de fácil construcción y tiene un menor costo que cualquier otro, pero en
la práctica no suele utilizarse, debido a que tiene un mal comportamiento
cuando se presentan desequilibrios en las cargas. La única aplicación
práctica es cuando se conectan a líneas de alta tensión.
Esta conexión tiene dos desventajas importantes:
I. Si las cargas conectadas al transformador están desbalanceadas,
los voltajes de las fases sufren desbalance.
II. No presenta resistencia a los armónicos impares, especialmente el
tercero, por lo que la tensión del tercer armónico puede ser mayor
que el voltaje fundamental.
Los problemas de desbalance y de contenido armónico en la señal de
voltaje, se puede resolver utilizando alguna de las dos técnicas siguientes:
I. Conectar sólidamente a tierra el neutro del primario del
transformador. Esta conexión evita que se genere un incremento en
el voltaje, al circular una corriente en el neutro debida a la
componente del tercer armónico. Esta conexión del neutro a tierra
también proporciona una trayectoria de retorno para corrientes de
desbalance en la carga.
II. Adicionar al transformador un devanado terciario conectado en
delta. Esto origina un flujo de corriente circulante en el devanado, lo
que ayuda a eliminar los componentes de tercer armónico del
voltaje. Por otro lado, permite tener una corriente de sensibilidad
para los sistemas de protección.
Conexión Delta/Delta (∆-∆)
En estos transformadores, los devanados primario y secundario están
conectados en delta, y las tensiones de línea y de fase son iguales. Estos
equipos se utilizan en baja tensión y presentan un buen comportamiento
frente a desequilibrios en la carga.
Esta conexión se utiliza con frecuencia para alimentar sistemas de
alumbrado monofásicos y simultáneamente cargas trifásicas. Tienen la
ventaja de poder conectar los devanados primario y secundario sin
desfasamiento, y no presenta problemas de cargas desbalanceadas o
armónicas. Sin embargo, cuando no están conectados al mismo tap de
regulación y tienen la misma relación de tensión, se genera circulación de
altas corrientes.
Cuando se presenta una falla en un banco de transformadores
monofásicos, esta conexión permite el funcionamiento del sistema al 58%
de la potencia, cuando dos transformadores.
Transformadores desfasadores (Zig-Zag)
La conexión Zig-Zag se construye dividiendo cada fase del devanado
secundario en dos secciones y colocándolas en las columnas del núcleo
magnético. Las bobinas se devanan en sentido inverso y los finales del
devanado se conectan en estrella. se utilizan como transformadores de
conexión a tierra, en bancos de transformadores en conexión delta. De
este modo, se logra obtener una corriente de sensibilidad para operar las
protecciones.
Referidas estas características a los transformadores de distribución esto son:
Transformadores de distribución
Núcleo de columnas o envolventes
De regulación variable sin carga
Monofásicos o trifásicos
De dos devanados
Sumergidos en aceite aislante
Enfriamiento natural OA
De ésta manera, los elementos básicos que constituyen a un transformador de
distribución son los siguientes y se muestran en la figura 7.
Núcleo del circuito magnético
Devanados de alta y baja tensión
Aceite aislante
Tanque o recipiente
Tanque conservador
Radiadores
Ventiladores
Boquillas de alta y baja tensión
Ganchos de sujeción
Válvula de carga de aceite
Conexión para tierra
Cambiador de derivaciones sin carga
Placa de características
Figura 7 Partes de un transformador trifásico
Tipos de transformadores de distribución
Los transformadores de distribución utilizados en las redes de distribución aéreos son los
siguientes tipos:
Transformadores trifásicos
Capacidades nominales 15, 30, 45, 75, 112.5 KVA
Relación de transformadores de:
33000/220-127 Volts 23000/220-127 Volts 13200/220/127 Volts
TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS DE DOS BOQUILLAS
Capacidades nominales 5, 10, 15, 25, 37.5, 50, 75, 100 KVA
Relación de transformación de:
33000/120-240 Volts
23000/120-240 Volts
13200/120-240 Volts
TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS DE UNA BOQUILLA
Capacidades nominales: 5,10, 25, 37.5, 50, 75 y 100 KVA.
Relación de transformación de.
33000/120-240 Volts 23000/127-240 Volts 13200/127-240 Volts
Clases de transformadores utilizados en las redes de distribución aéreas
Se utilizan básicamente de dos clases diferentes de transformadores de distribución. Los
llamados transformadores de diseño convencional y los denominados transformadores
autoprotegidos. La diferencia es que en los primeros, los dispositivos de protección
contra sobretensiones de origen externo (apartarrayos) y los dispositivos de protección
contra sobrecorriente (cortacircuitos fusible e interruptores termomagnéticos) los
transformadores autoprotegidos, estos dispositivos están integrados a los mismos, con lo
cual se asegura un funcionamiento más seguro lo que trae aparejado el disponer de un
transformador más confiable. Para ambos casos de clases de transformadores de
distribución se disponen de los siguientes tipos de transformadores:
Transformadores trifásicos
Transformadores monofásicos de dos boquillas
Transformadores monofásicos de una boquilla
Construcción de los transformadores
Desde el punto de vista de su construcción hay básicamente dos tipos diferentes de
núcleos magnéticos.
Núcleo de columnas
Núcleo acorazado
En el caso de los transformadores con núcleo de columnas, sobre dichas columnas se
ensamblan los devanados sirviéndose de soporte y sujeción. Para el caso de los
transformadores con núcleo acorazado es el núcleo el que rodea, confina y soporta a los
devanados asegurando una mejor sujeción de las bobinas pero encareciendo el costo del
transformador.
Por esta razón, todos los transformadores de distribución y de mediana potencia hasta de
40000 KVA y voltajes de alta tensión hasta de 115 KV se fabrican con núcleo de
columnas, en tanto que los transformadores de potencia con capacidades de 50000 KVA
y mayores y voltajes de 230 KV y mayores se fabrican invariablemente con núcleo
acorazado ya que los devanados se ven sometidos a mayores esfuerzos mecánicos por
los altos valores de corriente de cortocircuito que se presentan durante las fallas en las
líneas y en las redes.
Con la finalidad de reducir los valores de pérdidas en el núcleo o pérdidas magnéticas, los
núcleos se fabrican con laminaciones cortadas de rollos de acero magnético que es una
aleación con un contenido de 97% de acero y 3% de silicio, de allí la denominación de
acero al silicio. El contenido de silicio reduce las pérdidas de magnetización y más aún
con la orientación de los cristales del metal que se consigue durante el proceso de rolado
en frío. Las laminaciones están cubiertas con una capa de barniz para aislar
eléctricamente unas de otras.
Conexiones utilizadas en transformadores de distribución
Transformadores trifásicos
Para el caso de los transformadores trifásicos se han normalizado la utilización de la
conexión Delta (∆) en alta tensión y Estrella (Υ) en el lado de baja tensión con el neutro
sólidamente aterrizado. Este arreglo permite utilizar las ventajas que tienen las
conexiones Delta (∆) y Estrella (Υ), donde el circuito de alta tensión que da aislado
eléctricamente del circuito de baja tensión y como el lado de baja tensión está en Estrella
(Υ) con el neutro sólidamente aterrizado permite tener una referencia sólida del sistema
eléctrico respecto a tierra, haciendo posible la circulación de la corrientes de secuencia
cero que se originan durante fallas desbalanceadas, facilitando su detección por los
equipos de protección.
Con ésta conexión en un circuito trifásico se dispone de niveles de voltaje con un valor de
127 V entre cada fase y neutro y de 220 V entre fases. Con este arreglo vienen provistos
todos los transformadores trifásicos utilizados en las redes de distribución tipo aéreo. Para
el caso de las redes de distribución tipo subterráneo se utiliza la conexión Estrella (Υ) –
Estrella (Υ) con neutro sólidamente aterrizado en ambos devanados para permitir la
utilización de los cables de potencia con aislamiento 100% en el circuito primario, evitando
la necesidad de utilizar cables con aislamiento sobredimensionado al 120% que tienen un
mayor costo, esta conexión se muestra en la figura 8.
Transformador monofásico de dos boquillas
La utilización de transformadores monofásicos de dos boquillas está restringida a
condiciones donde se tiene terrenos con muy alta resistividad que no permiten de una
manera económica obtener bajos valores de resistencia de aterrizamiento que permitan la
correcta operación de los transformadores monofásicos de una boquilla.
Figura 8. Conexión de un transformador trifásico
A
B
CH1 H2 H3
N
a
b
c
X0 X1 X2 X3
127 V
220 V127 V
127 V 220 V
220 V
Su costo es mayor que los transformadores monofásicos de una boquilla debido a que se
deben disponer de un valor de aislamiento que soporte el voltaje pleno del sistema en el
lado de alta tensión, ya que las terminales del devanado se conectan entre fases.
Además, para su utilización requiere de disponer cuando menos de dos fases en el
circuito primario. El arreglo en las conexiones es el que muestra en la figura 9.
Dos transformadores monofásicos de dos boquillas conectadas en delta abierta—
delta abierta
Para el caso en que una red de distribución posteriormente a la instalación de un
transformador monofásico de dos boquillas se requiera alimentar una carga trifásica, se
adiciona un segundo transformador cuya capacidad será del 50% de la carga trifásica y
ambos se conectarán en estrella incompleta—delta abierta para proporcionar el servicio
trifásico y la tercera fase solo se instalara hasta el servicio trifásico. Ho hay que perder de
vista que a esta tercera fase no podrá conectarse ninguna carga monofásica ya que el
voltaje entre esta fase y el neutro es de 208 V.
Este tipo de arreglo no debe utilizarse en la construcción de una red nueva o donde se
requiera alimentar varias cargas trifásicas en la red secundaria. Para estos casos deberá
utilizarse un transformador trifásico integrado por tres transformadores monofásicos. El
arreglo de la conexión es el indicado en la figura 10.
Figura 9. Conexión de un transformador monofásico de dos boquillas
B
CH1 H2
N
a
b
X1
X2
X3
120 V
120 V 240 V
Tres transformadores monofásicos de dos boquillas conectados en delta—estrella
Cuando se requiera alimentar cargas trifásicas distribuidas en la red secundaria en áreas
con alta resistividad del suelo donde no es económicamente factible obtener valores de
resistencia de tierra de 10 ohms en época de estiaje y de 5 ohms en época de lluvias y no
se disponga de un transformador trifásico, podrá formarse dicho banco trifásico con tres
transformadores monofásicos de dos boquillas con una conexión delta cerrada—estrella
completa como se muestra a continuación.
No debe olvidarse que para integrar el banco trifásico, las bobinas secundarias de cada
transformador monofásico deben conectarse en paralelo, por lo que al formarse el banco
trifásico la conexión del neutro y a tierra será por la boquilla . Este tipo de arreglo no
debe utilizarse en la construcción de una red de distribución nueva donde se tenga
conectadas cargas trifásicas. Para estos casos utilizar un transformador trifásico o un
banco trifásico integrado con tres transformadores monofásicos de una boquilla. La
conexión se muestra en la figura 11.
Figura10. Conexión de dos transformadores monofásicos de dos
boquillas en estrella incompleta—delta abierta.
A
B
C
H1
N
a
b
c
X1
208 V 120 V
H2
120 V
240 V
240 V240 V
X2 X2
X3X3 X1
H2H1
Un transformador monofásico de una boquilla
Todos los transformadores de distribución que se requieran instalar en las redes de
distribución nuevas, en las redes de distribución en operación y en las ampliaciones
donde la carga por alimentar sea monofásica serán transformadores monofásicos de una
boquilla. Para su correcta operación y protección los valores de resistencias de tierra
deberán ser como máximo de 10 ohms en época de estiaje y de 5 ohms en época de
lluvias. El diagrama de conexión es el siguiente, figura 12.
Dos transformadores monofásicos de una boquilla conectados en estrella
incompleta—delta abierta.
Para el caso en el que una red de distribución donde se alimentan solo cargas
monofásicas se requiera posteriormente alimentar una sola carga trifásica se adicionará
un segundo transformador para conectarse en estrella incompleta—delta abierta. Este
arreglo solo se hará en una red en operación, no en una red nueva. No hay que olvidar
que a la tercera fase solo se conectará la carga trifásico y ninguna monofásica en virtud
de que el voltaje de fase a neutro es de 208 volts. La conexión se muestra en la figura 13.
Figura 11. Tres transformadores monofásicos de una boquilla.
A
B
C
H1
Nabc
120 V
120 V
H2
120 V 240 V 240 V
240 V
H2
X1 X3 X1 X3 X1 X3
H2 H1 H1
Figura 12. Un transformador monofásico de una boquilla
Figura 13. Dos transformadores monofásicos de una boquilla
conectados en estrella incompleta – delta abierta.
A
B
CH1
N
a
b
X1
X2
X3
120 V
120 V 240 V
A
B
CH1
N
a
b
c
X1
208 V 120 V
H1
120 V
240 V
240 V240 V
X2
X3
X2
X3X1
Tres transformadores monofásicos de una boquilla conectados en estrella—
estrella.
En todas las redes de distribución nuevas, en las redes de distribución en operación y en
las ampliaciones donde se requieran alimentar cargas monofásicas con cargas trifásicas
aleatoriamente distribuidas en el lado de baja tensión, se instalarán bancos trifásicos
integrados por tres transformadores monofásicos de una boquilla, conectados en
estrella—estrella.
Una de las ventajas, entre otras, que presenta esta conexión es que en caso de falla de
uno de los transformadores solo se afectan las cargas trifásicas y las monofásicas
conectadas a esa fase permaneciendo el resto de las cargas sin afectación. El diagrama
de conexiones es el siguiente, figura 14.
Figura 14. Tres transformadores monofásicos de una boquilla
conectados en estrella—estrella.
A
B
C
H1
Nabc
120 V
120 V
H1
120 V 240 V 240 V
240 V
H1
X1 X3 X1 X3 X1 X3