mme 13 el transformador

Montaje y Mantenimiento Elctrico (2CI1M) IES Serra Espadn 2012-2013

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Mquinas elctricas: Transformadores

Mquina: Elemento, o conjunto de elementos, que convierte un efecto de una determinada naturaleza

fsica o qumica, en otro efecto distinto, con una determinada finalidad.

Mquina elctrica: Es aquella en la cual la energa de entrada o la de salida, o ambas, tienen la

forma de energa elctrica.

Se denomina transformador a una mquina elctrica esttica que permite aumentar o disminuir el

voltaje o tensin en un circuito elctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia

que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, esto es, sin prdidas, es igual a la que se

obtiene a la salida.

Los transformadores basan su funcionamiento en el fenmeno de la induccin electromagntica y

estn constituidos, en su forma ms simple, por dos bobinas devanadas sobre un ncleo cerrado de

hierro dulce o hierro al silicio. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario

Ns y Np : numero de espiras de secundario y de primario.

Este funcionamiento tiene su utilidad para el transporte de energa elctrica a larga distancia, al poder

efectuarse el transporte a altas tensiones y pequeas intensidades y por tanto pequeas prdidas. ( P

= U I , Para una misma potencia elctrica a transportar, operar a una mayor tensin exige menor

corriente, y por tanto menor seccin de conductor)

El fenmeno de la induccin tiene lugar al emplear corriente alterna, este hecho hace que sea ms

ventajoso el uso de la corriente continua que la corriente alterna. Por lo tanto, el transformador es una

mquina de corriente alterna, en corriente continua tenemos un cortocircuito (no hay induccin, no hay

impedancia reactiva)

Ejemplo: Tenemos el nmero de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del

primario, si aplicamos una tensin alterna de 230 Voltios en el primario, obtendremos 23.000 Voltios en

el secundario (una relacin 100 veces superior, como lo es la relacin de espiras). A la relacin entre el

nmero de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relacin de vueltas del

transformador o relacin de transformacin.

Ahora bien, como la potencia aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual

a la obtenida en el secundario, el producto de la fuerza electromotriz por la intensidad (potencia) debe

ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10

Amperios, la del secundario ser de solo 0,1 amperios (una centsima parte).

Tipos de transformadores:

Por funcin

- De potencia: alimentados con tensin y frecuencia fijas. Convierten la energa elctrica de un nivel de tensin a otro


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- De medida: facilitan o permiten la conexin de aparatos de medida. De intensidad o de tensin - De comunicaciones: Tensin y frecuencia variables. Son pequeos transformadores de ncleo de

hierro, que funcionan en la banda de audiofrecuencias. Se utilizan a menudo como dispositivos de acoplamiento en circuitos electrnicos para comunicaciones, medidas y control.

- Transformador de aislamiento: Proporciona aislamiento galvnico entre el primario y el secundario, de manera que consigue una alimentacin o seal "flotante".Se utiliza principalmente como medida de proteccin, en equipos que trabajan directamente con la tensin de red. Todo transformador elctrico, sea reductor o elevador de voltaje, tiene la particularidad de transferir energa entre sus bobinados, por induccin electromagntica y sin que exista entre ellos, conexin elctrica alguna. Sin embargo, el trmino "Transformador aislador" o "Transformador de aislamiento", se utiliza solamente para referirse a los transformadores con relacin 1:1 Esta particularidad, resulta til, como medida de seguridad, cuando se requiere alimentar un aparato (elctrico o electrnico) desde la red elctrica, pero sin que exista conexin directa con ella, para proteger la integridad fsica de quienes deban entrar en contacto con sus circuitos. Al colocar un transformador aislador, entre la red elctrica y el aparato o circuito que se est manipulando, este recibir el mismo voltaje requerido para su funcionamiento pero estar aislado de la diferencia de potencial existente entre la lnea de distribucin elctrica y tierra, evitando de esa manera, el peligro de sufrir una descarga al entrar en contacto con el

- Transformadores de seguridad, por ejemplo diseados para alimentar focos en piscinas, estanques, fuentes luminosas y lugares hmedos, donde por cuestiones de seguridad se debe alimentar a muy baja tensin de seguridad (MBTS), tensin secundaria 12 V.

Por sistema de tensiones

Monofsico

Trifsico

Trifsico-hexafsico

Trifsico-dodecafsico

etc.

Segn el cambio en la tensin

Elevador de tensin U2> U1

Reductor de tensin U2 < U1

Empleados en la red de transporte de energa elctrica, con el fin de disminuir las prdidas por efecto Joule. Por la resistencia de los conductores, conviene transportar la energa elctrica a tensiones elevadas, lo que origina la necesidad posterior de reducir las tensiones para adaptarlas a las de utilizacin.

Segn el sistema de refrigeracin que emplean

En seco (encapsulado en resina)

En bao de aceite (aceite mineral o de silicona)

Segn donde se va instalar

De interior

De intemperie


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Por su forma

De columnas

Acorazado

El transformador acorazado tiene dos columnas exteriores,

por las que se cierra el circuito magntico, estas dos

columnas no poseen ningn devanado.

En los Transformadores monofsicos el devanado primario

y secundario se agrupan en la columna central y el

transformador tiene tres columnas en total. Su uso es ms

comn en los transformadores monofsicos. En el ncleo

acorazado, los devanados se localizan sobre la columna

central

Forma de devanados

Concntricos

Alternados

Centro de transformacin en industria

Autotransformador: Transformador con un solo devanado con una conexin intermedia.

Los autotransformadores se utilizan a menudo en sistemas elctricos de potencia, para interconectar circuitos que funcionan a tensiones diferentes, pero en una relacin cercana a 2:1 (por ejemplo, 400 kV / 230 kV 138 kV / 66 kV). En la industria, se utilizan para conectar maquinaria fabricada para tensiones nominales diferentes a la de la fuente de alimentacin (por ejemplo, motores de 480 V conectados a una alimentacin de 600 V). Se utilizan tambin para conectar aparatos, electrodomsticos y cargas menores en cualquiera de las dos alimentaciones ms comunes a nivel mundial (100-130 V a 200-250 V), es decir, diferencias reducidas.

Ventajas: Equipo ms econmico que un transformador convencional.

Inconvenientes: Un fallo en el aislamiento de los devanados de un autotransformador puede producir que la carga quede expuesta a recibir la tensin de primario (la de la fuente). Se debe tener en cuenta esta situacin al decidir utilizar un autotransformador para una determinada aplicacin.

Las ventajas econmicas, de ahorro de material (tanto en los devanados como en el ncleo) tienen una limitacin fsica, que en la prctica es una relacin de tensiones de 3:1. Para relaciones de tensin mayores a sta, o bien el transformador convencional de dos devanados es ms compacto y econmico, o bien resulta imposible construir el autotransformador.


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Constitucin del transformador

Un transformador consta de un devanado primario, uno secundario y un circuito magntico.

Es decir consta de dos circuitos elctricos y un circuito magntico.

El circuito magntico se realiza a base de chapas de acero al silicio (3%) laminadas en fro con grano

orientado, separadas por una capa de material aislante.

Este material tiene:

Buena permeabilidad magntica,

Elevada resistividad elctrica (reducir prdidas por corrientes de Foucault)

Bajas prdidas por histresis (rea de su lazo de histresis menor que otros materiales). El circuito magntico est formado por las columnas y la culata.

En las columnas se arrollan los devanados y estas estn unidad por la culata. El solape

columnas/culata debe realizarse bien, con contacto intimo entre chapas para evitar prdidas en el

circuito magntico y que sea origen de puntos calientes.

Los devanados se ejecutan con conductor redondo aislado o pletinas aisladas.

El conjunto est en una cuba de aceite para su refrigeracin y aislamiento o encapsulado en material

dielctrico.

Si el devanado primario se alimenta por una tensin variable (por ejemplo corriente alterna) se induce

en l una f.e.m. que es igual al nmero de espiras por la variacin del flujo magntico [ E1 = -N1

d/dt.= = -N1 /t ; =flujo magnetico]

Funcionamiento

1.-Alimentando el devanado primario y dejando el secundario en vaco (abierto)

U=-E1 = N1 d/dt. , despreciando prdidas en el cobre Por tanto en el secundario tambin se inducir un a f.e.m. por la misma variacin de flujo en el cto magntico: E2 = N2 d/dt, de donde se deduce que en vaco E1 / E2=N1 / N2 = m = relacin de transformacin Puesto que la corriente es senoidal, el flujo magntico ser : = max sen t , donde =2 f Y la tensin inducida: E1 = N1 max 2 f cos t

La tensin de alimentacin Uz E1 impone el valor de E1 = 4.44 f N1 eficaz (VALOR EFICAZ)

La unidad de flujo magntico en el Sistema Internacional de Unidades es el weber y se designa por Wb.

2.-Si conectamos carga en secundario, aparece una corriente i2 que como es natural provocar una f.m.m. en el secundario que se oponga a la misma de valor N2i2 La aparicin de esta f.m.m. crea un flujo que se opone al existente, sin embargo el valor de U = E1 = constante impone max = cte. Por tanto para compensar la f.m.m del secundario aparecer en el primario una corriente i1 tal que N1i1 = N2i2 es decir N1/ N2 = i2 / i1 = rt m = i2 / i1 = E1/E2 por tanto E1 i1 = E2 i2

Despreciando prdidas la potencia en el primario es la misma que en el secundario con lo

que tenemos que un transformador entrega una misma potencia nominal de entrada a una

tensin conectada en el devanado primario a un nivel de tensin diferente en el secundario.

La corriente en el primario:

Crea flujo y vence prdidas del circuito magntico (RFe y X )

Compensa la f.m.m. desmagnetizante creada por I2

Adems existen las resistencias hmicas de los devanados R1 y R2 as como los flujos de dispersin de estos devanados Xd1, Xd2.


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Parmetros caractersticos de un transformador.

Diremos que la caracterstica principal de un transformador es la relacin de transformacin

= 1

2=

2

1=

1

2

Otros parmetros fundamentales son:

- Potencia del transformador, Se mide en Voltamperios (VA) es potencia aparente. - Tensiones nominales, de primario y de secundario. - Frecuencia. - Impedancias equivalentes o cada de tensin. - Esquema de conexin. - Tensin de cortocircuito


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CUESTIONES: El transformador

1. Define, con tus palabras, que es una mquina elctrica 2. Qu significa que el transformador es una mquina esttica? 3. Cul es la funcin de un transformador? 4. Segn su aplicacin, que tipos de transformadores existen 5. Puede un transformador elevar la tensin?donde se utilizan? 6. Cmo funciona un transformador con corriente continua? 7. Qu sucede si alimento un transformador a frecuencia distinta de la nominal? 8. Explica el principio de funcionamiento de un transformador. es una mquina de induccin? 9. Cuntos circuitos elctricos tiene un transformador?y cuntos circuitos magnticos? 10. Por qu el circuito magntico es de hierro?por qu este hierro va en chapas (no es macizo)? 11. Cmo conseguimos la tensin deseada en el devanado secundario? 12. Cul es la tensin en el devanado primario?es este valor fijo? 13. Por qu se produce la transferencia de energa del primario al secundario cuando conecto una carga en el

secundario? 14. Qu es la relacin de transformacin? 15. Qu parmetros definen a un transformador? 16. Enumera las prdidas que se producen en un transformador y cul es su causa. 17. Buscar y dibujar los smbolos del transformador, autotransformador, transformador de aislamiento. 18. Completar la tabla para estos transformadores (monofsicos, 50 Hz)

V1 V2 I1 I2 N1 N2 m S (VA) (Wb) 1 230 48 10 500

2 24 100 2 200

3 20.000 400 200.000 (III)

4 12 10 30 45

19. Sabiendo que = B S estimar la seccin de hierro necesaria en cada uno de ellos usando chapa de grano orientado con un admisible valor de induccin B= 1.5 T.

El tesla (T), es la unidad de induccin magntica (B) (o densidad de flujo magntico) del Sistema Internacional de Unidades (SI).

Se define como una induccin magntica uniforme que, repartida normalmente sobre una superficie de un metro cuadrado,

produce a travs de esta superficie un flujo magntico de 1 weber. Nombrada as en 1960 en honor al fsico Nikola Tesla.

1 T = 1 Wbm2

= 1 kgs2

A1

= 1 kgC-1

s-1

(Wb) B (T) Seccin (m2) Seccin (cm

2)

1.5

1.5

1.5

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