TRANSFORMADOR DE POTENCIA

Descripción: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 DISTRIBUCION

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.

A continuación se detallan algunos tipos de transformadores de distribución.

Descripción: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 Secos Encapsulados en Resina Epoxi

Descripción:Se utilizan en interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, en lugares donde los espacios reducidos y los requerimientos de seguridad en caso de incendio imposibilitan la utilización de transformadores refrigerados en aceite. Son de aplicación en grandes edificios, hospitales, industrias, minería, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica.

Características Generales:Su principal característica es que son refrigerados en aire con aislación clase F, utilizándose resina epoxi como medio de protección de los arrollamientos, siendo innecesario cualquier mantenimiento posterior a la instalación. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 2500 kVA,tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.

 

 

Transformadores Herméticos de Llenado Integral

Descripción:Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, siendo muy útiles en lugares donde los espacios son reducidos. 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:Su principal característica es que al no llevar tanque de expansión de aceite no necesita mantenimiento, siendo esta construcción más compacta que la tradicional. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 1000 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV  y frecuencias de 50 y 60 Hz.

 

 

Transformadores Rurales

Descripción:Están diseñados para instalación monoposte en redes de electrificación suburbanas monofilares, bifilares y trifilares, de 7.6, 13.2 y 15 kV.En redes trifilares se pueden utilizar transformadores trifásicos o como alternativa 3 monofásicos.

 

 

Transformadores Subterráneos

Aplicaciones

Transformador de construcción adecuada para ser instalado en cámaras, en cualquier nivel, pudiendo ser utilizado donde haya posibilidad de inmersión de cualquier naturaleza.

Características

Potencia: 150 a 2000KVA

Alta Tensión: 15 o 24,2KV

Baja Tensión: 216,5/125;220/127;380/220;400/231V

 

 

Transformadores Auto Protegidos

Aplicaciones

El transformador incorpora componentes para protección del sistema de distribución contra sobrecargas, corto-circuitos en la red secundaria y fallas internas en el transformador, para esto poseee fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión, montados internamente en el tanque, fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión. Para protección contra sobretensiones el transformador está provisto de dispositivo para fijación de pararrayos externos en el tanque.

Características

Potencia: 45 a 150KVA

Alta Tensión: 15 o 24,2KV

Baja Tensión: 380/220 o 220/127V

 

 

 

 

 

 

AUTOTRANSFORMADORES

 

Los autotransformadores se usan normalmente para conectar dos sistemas de transmisión de tensiones diferentes, frecuentemente con un devanado terciario en triángulo. De manera parecida, los autotransformadores son adecuados como transformadores elevadores de centrales cuando sé desea alimentar dos sistemas de transporte diferentes. En este caso el devanado terciario en triángulo es un devanado de plena capacidad conectado al generador y los dos sistemas de transporte se conectan al devanado, autotransformador. El autotransformador no sólo presenta menores pérdidas que el transformador normal, sino que su menor tamaño y peso permiten el transporte  de potencias superiores.

 

 

 

 

 

 

TRANSFORMADOR DE CORRIENTE  TT/CC

Los transformadores de corriente se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas normalizadas de instrumentos, aparatos de medida, u otros dispositivos de medida y control. Ciertos tipos de transformadores de corriente protegen a los instrumentos al ocurrir cortocircuitos.

Los valores de los transformadores de corriente son:

Carga nominal: 2.5 a 200 VA, dependiendo su función.

Corriente nominal: 5 y 1A en su lado secundario. se definen como relaciones de corriente primaria a corriente secundaria. Unas relaciones típicas de un transformador de

corriente podrían ser: 600/5, 800/5, 1000/5.

Usualmente estos dispositivos vienen con un amperímetro adecuado con la razón de transformación de los transformadores de corriente, por ejemplo: un transformador de 600/5 está disponible con un amperímetro graduado de 0 - 600A.

 

 

 

 

 

 

TRANSFORMADOR DE POTENCIAL  TT/PP

Es un transformador devanado especialmente, con un primario de alto voltaje y un secundario de baja tensión. Tiene una potencia nominal muy baja y su único objetivo es suministrar una muestra de voltaje del sistema de potencia, para que se mida con instrumentos incorporados.

Además, puesto que el objetivo principal es el muestreo de voltaje deberá ser particularmente preciso como para no distorsionar los valores verdaderos. Se pueden conseguir transformadores de potencial de varios niveles de precisión, dependiendo de que tan precisas deban ser sus lecturas, para cada aplicación especial.

 

 

 

 

 

 

OTROS TRANSFORMADORES

 

 

Transformadores de corriente constante

Un transformador de corriente constante es un transformador que automáticamente mantiene una corriente aproximadamente constante en su circuito secundario, bajo condiciones variables de impedancia de carga, cuando su primario se alimenta de una fuente de tensión aproximadamente constante. El tipo más usual, la disposición de «bobina móvil», tiene separadas las bobinas del primario y secundario, que tienen libertad para moverse entre sí, variando por tanto la reactancia de dispersión magnética del transformador.

Existen disponibles tipos para subestación que proporcionan unos modelos compactos integrales, que llevan incluidas los accesorios necesarios para el control y protección del transformador. Los accesorios normales comprenden un interruptor a solenoide primario, una protección. contra apertura del circuito, fusibles o cortacircuitos con fusibles en el primario y descargadores de sobretensiones en el primario y en el secundario.

Los transformadores de corriente constante de tipo estático no tienen partes móviles y funcionan según el principio de una red resonante. Esta red normalmente consta de dos reactancias inductivas y dos capacitivas, cada una de igual reactancia para la frecuencia de alimentación. Con tal red, la corriente secundaria es independiente de la impedancia de la carga conectada, pero es directamente proporcional a la tensión del primario.

 

 

Transformadores para hornos

Los transformadores para hornos suministran potencia a hornos eléctricos de los tipos de inducción, resistencia, arco abierto y arco sumergido. Las tensiones secundarias son bajas, ocasionalmente menores de 100 V, pero generalmente de varios centenares de Volts. La gama de tamaños varía desde algunos kVA a más de 50 MVA, con corrientes en el secundario superiores a 60 000 A. Las corrientes elevadas se obtienen conectando en

paralelo muchas secciones de devanado. La corriente es recogida por barras internas y llevada a través de la tapa del transformador mediante barras o mediante bornes de gran corriente.

 

 

Transformadores de puesta a tierra

Un transformador de puesta a tierra es un transformador ideado principalmente con la finalidad de proporcionar un punto neutro a efectos de puesta a tierra. Puede ser una unidad de dos devanados con el devanado secundario conectado en triángulo y el devanado primario conectado en estrella que proporciona el neutro a efectos de puesta a tierra o puede ser un autotransformador trifásico de un solo devanado con devanados en estrella interconectada, o sea en zig-zag.

 

 

Transformadores móviles

Transformadores móviles y subestaciones móviles. Los transformadores o autotransformadores móviles están montados normalmente sobre semirremolques y llevan incorporados pararrayos y seccionadores separadores. Una subestación móvil tiene, además, aparamenta y equipo de medida y de protección. La unidad se desplaza por carretera arrastrada por tractores. Los reglamentos estatales y federales sobre transporte por carretera limitan el peso y tamaño máximos. Las unidades móviles se usan para restablecer el servicio eléctrico en emergencias, para permitir el mantenimiento sin interrupción de servicio, para proporcionar servicio durante las construcciones importantes y para reducir las inversiones en el sistema.

La unidad móvil está proyectada de manera que constituye una unidad compacta de aplicación múltiple que proporciona la máxima potencia en kVA, para el peso admisible.

 

 

Transformadores para radio

Transformadores de energía. La finalidad del transformador de energía en las aplicaciones de los radiorreceptores consiste en variar la tensión de la red doméstica a un nivel tal que, cuando se aplique a una válvula de vacío o a un rectificador de semiconductores (ya sea de media onda o de onda completa) y esté adecuadamente filtrada, pueda usarse para alimentar las tensiones y corrientes de polarización para los dispositivos activos (válvulas, transistores, etc.) de la radio. El transformador de energía también puede usarse para cambiar la tensión de la red a un valor adecuado para los filamentos de las válvulas o lámparas que pueda haber en la radio.

Transformadores de frecuencias de audio. Pueden emplearse tres tipos de transformadores de frecuencias de audio en los receptores de radio: de entrada, de etapas intermedias y de salida. En el receptor normal sólo se usa el transformador de salida. El acoplamiento entre etapas de amplificación se consigue mediante impedancias comunes a los circuitos de entrada y salida de las etapas de amplificación.

Transformadores de entrada. Funcionan entre la fuente de tensión de c.a. (más comúnmente el último amplificador de frecuencia intermedia en una radio) y la primera válvula de vacío o transistor de amplificación del amplificador de audio. La relación de espiras para este transformador viene determinada por la tensión normal aplicada sobre el primario y el valor deseado de tensión que debe aplicarse a la rejilla de la primera válvula o a la base del primer transistor.

Transformadores de etapas intermedias. Todo lo dicho antes para el transformador de entrada se aplica a los transformadores de etapas intermedias, con la excepción de que los transformadores de etapas intermedias se usan entre etapas de amplificación de los amplificadores de audio.

Transformadores de salida. Funcionan entre la última etapa de válvulas de vacío 0 transistores del amplificador de audio y el circuito de carga, que en las radios es la bobina del altavoz. Normalmente, el transformador de salida para una etapa de salida de potencia tiene una relación reductora, debido a que la impedancia del altavoz es relativamente baja en comparación con la impedancia de la salida de un amplificador, ya sea de válvulas o de transistores.

Transformadores de radiofrecuencia. Este término se usa para describir una clase de transformadores que funcionan a una frecuencia muy superior a la de la gama de audio. Esta es la frecuencia de la portadora de la  señal de radio recibida o, en las radios superheterodinas, es la diferencia entre la frecuencia de la portadora entrante y la frecuencia del oscilador de la radio. Esta frecuencia diferencia se denomina frecuencia intermedia y los transformadores a través de los cuales pasa se denominan transformadores de frecuencia intermedia.

Los transformadores de radiofrecuencia realizan esencialmente las mismas funciones que los transformadores de frecuencia de audio (relación de espiras determinada por las tensiones deseadas), pero presentan tres diferencias importantes. Como se ha mencionado anteriormente, trabajan con frecuencias muy superiores. Además, operan con potencias considerablemente menores que los transformadores de audio. Finalmente, uno o ambos devanados de un transformador de radiofrecuencia a menudo están shuntados mediante un- condensador, de manera que se forma un circuito sintonizado que atenúa todas las frecuencias menos la deseada.

 

 

Transformadores para rectificadores

Los transformadores para rectificadores suministran energía a los rectificadores a la tensión de entrada de c.a. requerida para la tensión de salida de c.c. deseada. Están construidos en tamaños que llegan hasta los 15 000 kVA y a veces superiores. La tensión del secundario generalmente es baja, variando desde menos de 50 V, para algunos procesos electrolíticos, hasta 1000 V para otras aplicaciones. La corriente secundaria generalmente es elevada y puede alcanzar muchos miles de amperes.

Pueden usarse conexiones de transformador que producen desfases para conseguir 12 fases, 24 o incluso más, a fin de reducir los armónicos de la corriente en la entrada de c.a. Pueden usarse transformadores auxiliares o conexiones entre los devanados de fase de los propios transformadores del rectificador. Cuando se usan dos devanados secundarios (como en el circuito en doble estrella) debe haber la misma impedancia entre el primario y cada devanado del secundario, para obtener ángulos de conmutación y tensiones de c.c. iguales en los dos circuitos del secundario.

 

 

Transformadores especiales

Los transformadores especiales de aplicación general son transformadores de distribución de tipo seco que generalmente se usan con los primarios conectados a los circuitos de distribución de baja tensión, para alimentar cargas de alumbrado y pequeñas cargas a tensiones todavía más bajas. Existen transformadores para tensiones del primario de, 120, 240, 480 y 600 V, con potencias nominales comprendidas entre 25 VA y 500 kVA, a 60 Hz.

Los transformadores de control son transformadores de aislamiento de tensión constante y tipo seco. Generalmente se usan con los devanados primarios conectados a circuitos de distribución de baja tensión de 600 V o menos. La elección adecuada de un transformador de control facilitará la alimentación con la potencia correcta a tensión reducida para cargas de alumbrado y de control hasta 250 VA.

Los transformadores para máquinas herramientas son similares a los transformadores de control con capacidades de hasta 1500 VA para alumbrado localizado y para dispositivos de control de máquinas tales como solenoides, contactores, relés, tanto sobre herramientas portátiles como fijas. Principalmente se usan para proporcionar salidas de 120 V a partir de relés de 240 a 480 V a 60 Hz. También existen para funcionamiento a distintas tensiones con 25 y 50 Hz.

Los transformadores de clase 2 son transformadores de aislamiento de tipo seco adecuados para usar en los circuitos de clase 2 del National Electrical Code. Estos transformadores se usan generalmente en control remoto, en alimentación de pequeñas potencias y en los circuitos de señal para el accionamiento de timbres, campañas, controles de hornos, válvulas, relés, solenoides y similares. Son unidades con el primario a 120 V tanto del tipo limitador de energía como del tipo no limitador.

Los transformadores para señalización son transformadores de aislamiento, reductores, de tensión constante y tipo seco, que generalmente se usan con sus devanados primarios conectados o circuitos de distribución de baja tensión para alimentar sistemas de señalización no sujetos a las limitaciones de los circuitos de clase 2. Existen para circuitos de 120 ó de 240 V. Llevan una selección de tensiones de salida de 4, 8, 12, 16, 20 ó 24 V, conectando adecuadamente los cuatro terminales de salida. Existen unidades de hasta 1000 VA.

Los transformadores para tubos luminiscentes, para suministrar energía a anuncios de neón o de otros gases, se fabrican en tamaños que comprenden desde los 50 a los 1650 VA. Las gamas de tensiones en el secundario están comprendidas entre 2 000 y 15 000 V. La tensión depende de la longitud del tubo que forma el circuito; es decir, cuanto mayor sea la longitud del tubo, mayor tensión se necesita. La corriente suministrada por los transformadores está comprendida entre 18 y 120 mA.

Los transformadores para ignición son transformadores elevadores de tipo seco, de alta reactancia, usados para el encendido de los quemadores de gas o de fuel-oil domésticos. Tales transformadores están limitados a las tensiones primarias de 120 ó 240 V. Las tensiones secundarias están limitadas a 15 400 V y normalmente la gama va desde los 6 000 a los 14 000 V. La gama de corrientes nominales en el secundario va desde 20 a 28 mA y la de potencias de 140 a 430 VA.

Los transformadores para juguetes son transformadores reductores, del tipo secundario de baja tensión, cuya principal finalidad es suministrar corriente a juguetes accionados eléctricamente. Normalmente son portátiles y, debido a su uso previsto, se pone una especial atención en su construcción en lo relativo a seguridad y a eliminación del peligro de incendio; la entrada al devanado primario debe estar limitada por construcción a 660 W, incluso cuando el devanado del secundario esté cortocircuitado, condición que debe ser soportada sin crear peligro de incendio. Tales transformadores no están autorizados para tensiones del primario superiores a 150 V y las tensiones del secundario no pueden ser superiores a 30 V entre dos terminales de salida cualquiera.

 

Transformadores para ensayos

Los transformadores para ensayos, usados para realizar pruebas de tensiones elevadas a baja frecuencia, han sido desarrollados para tensiones superiores, para hacer posible el estudio de aplicaciones de tensiones de transporte cada vez mayores. A menudo se necesitan tensiones de 1 500 000 o más volts. Se han construido unidades para 1000 KV respecto a tierra, pero normalmente resulta más económico obtener tales tensiones conectando dos o más unidades en «cascada» o en «cadena». Los transformadores para ensayo, normalmente están proyectados para aplicaciones de corta duración. Sin embargo, para aplicaciones especiales, puede requerirse una potencia de varios miles de kVA y el tiempo de aplicación puede ser continuo.

Transformador de corriente típico de laboratorio

Transformador de corriente típico de laboratorio

Transformador trifásico de laboratorio

Transformador monofásico de laboratorio

Transformador de distribución común de la ciudad

Transformadores de distribución empresa eléctrica

Autotransformador típico de laboratorio

Transformador de potencia

Transformador trifásico interior

Un transformador es una máquina estática de corriente alterno,  que permite

variar alguna función de la corriente como el voltaje o la intensidad, manteniendo la

frecuencia y la potencia, en el caso de un transformador ideal.

Para lograrlo, transforma la electricidad que le llega al devanado de entrada

en magnetismo para volver a transformarla en electricidad, en las condiciones

deseadas, en el devanado secundario.

La importancia de los transformadores, se debe a que, gracias a ellos, ha sido posible

el desarrollo de la industria eléctrica. Su utilización hizo posible la realización práctica y

económica del transporte de energía eléctrica a grandes distancias.

Aprende más sobre los transformadores eléctricos

Componentes de los transformadores Esquema básico y funcionamiento del transformador Tipos de transformadores eléctricos

Transformador ideal y transformador real Aplicaciones de los transformadores Preguntas sobre transformadores eléctricos

Componentes de los transformadores eléctricosLos transformadores están compuestos de diferentes elementos. Los componentes

básicos son:

Modelización de un

transformador monofásico ideal

Núcleo: Este elemento está constituido por chapas de acero al

silicio aisladas entre ellas. El núcleo de los transformadores está

compuesto por las columnas, que es la parte donde se montan los

devanados, y las culatas, que es la parte donde se realiza la unión entre

las columnas. El núcleo se utiliza para conducir el flujo magnético, ya

que es un gran conductor magnético.

Devanados: El devanado es un hilo de cobre enrollado a través del

núcleo en uno de sus extremos y recubiertos por una capa aislante, que

suele ser barniz. Está compuesto por dos bobinas, la primaria y la

secundaria. La relación de vueltas del hilo de cobre entre el primario y el

secundario nos indicará larelación de transformación. El nombre de

primario y secundario es totalmente simbólico. Por definición allá donde

apliquemos la tensión de entrada será el primario y donde obtengamos

la tensión de salida será el secundario.Esquema básico y funcionamiento del transformador

Esquema básico de funcionamiento de un

transformador ideal

Los transformadores se basan en la inducción electromagnética   . Al aplicar una

fuerza electromotriz en el devanado primario, es decir una tensión, se origina un flujo

magnético en el núcleo de hierro. Este flujo viajará desde el devanado primario hasta el

secundario. Con su movimiento originará una fuerza electromagnética en el devanado

secundario.

Según la Ley de Lenz, necesitamos que la corriente sea alterna para que se

produzca esta variación de flujo. En el caso de corriente continua el transformador

no se puede utilizar.

La relación de transformación del transformador eléctrico

Una vez entendido el funcionamiento del transformador vamos a observar cuál es la

relación de transformación de este elemento. 

Donde N p es el número de vueltas del devanado del primario, N s el número de vueltas

del secundario, V p la tensión aplicada en el primario, V s la obtenida en el secundario,

I s la intensidad que llega al primario, I p la generada por el secundario y r t la relación

de transformación.

Como observamos en este ejemplo si queremos ampliar la tensión en el secundario

tenemos que poner más vueltas en el secundario (N s), pasa lo contrario si queremos

reducir la tensión del secundario.Tipos de transformadores eléctricosHay muchos tipos de transformadores pero todos están basados en los mismos

principios básicos, Pueden clasificarse en dos  grandes grupos de tipos básicos:

transformadores de potencia y de medida.

Transformadores de potencia

Los transformadores eléctricos de potencia sirven para variar los valores de

tensión de un circuito de corriente alterna, manteniendo su potencia. Como ya se

ha explicado anteriormente en este recurso, su funcionamiento se basa en el

fenómeno de la inducción electromagnética.

Transformadores eléctricos elevadores

Los transformadores eléctricos elevadores tienen la capacidad de aumentar

el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada. En estos

transformadores el número de espiras del devanado secundario es

mayor al del devanado primario.

Modelización de un transformador

elevador

Transformadores eléctricos reductores

Los transformadores eléctricos reductores tienen la capacidad de disminuir

el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada. En estos

transformadores el número de espiras del devanado primario es

mayor al secundario.

Podemos observar que cualquier transformador elevador puede actuar

como reductor, si lo conectamos al revés, del mismo modo que un

transformador reductor puede convertirse en elevador.

Modelización de un transformador

reductor

Autotransformadores

Modelización de un autotransformador

Se utilizan cuando es necesario cambiar el valor de un voltaje, pero en

cantidades muy pequeñas. La solución consiste en montar las bobinas de

manera sumatoria. La tensión, en este caso, no se introduciría en el

devanado primario para salir por el secundario, sino que entra por un punto

intermedio de la única bobina existente.

Esta tensión de entrada (V p) únicamente recorre un determinado número

de espiras (N p), mientras que la tensión de salida (V s) tiene que recorrer la

totalidad de las espiras (N s).

Transformadores de potencia con derivación

Son transformadores de elevación o reducción, es decir, elevadores o

reductores, con un número de espiras que puede variarse según la

necesidad. Este número de espiras se puede modificar siempre y cuando el

transformador no esté en marcha. Normalmente la diferencia entre valores

es del 2,5% y sirve para poder ajustar el transformador a su puesto de

trabajo.

Transformadores eléctricos de medida

Sirven para variar los valores de grandes tensiones o intensidades para poderlas medir

sin peligro.

Transformadores eléctricos de intensidad

El transformador de intensidad toma una muestra de la corriente de la línea

a través del devanado primario y lo reduce hasta un nivel seguro para

medirlo. Su devanado secundario está enrollado alrededor de un anillo de

material ferromagnético y su primario está formado por un único conductor,

que pasa por dentro del anillo.

El anillo recoge una pequeña muestra del flujo magnético de la línea

primaria, que induce una tensión y hace circular una corriente por la

bobina secundaria.

Transformador eléctrico potencial

Se trata de una máquina con undevanado primario de alta tensión y uno

secundario de baja tensión. Su única misión es facilitar una muestra del

primero que pueda ser medida por los diferentes aparatos.

Posibles conexiones de un transformador trifásico con la fuente de alimentación

Transformadores trifásicos

Debido a que el transporte y generación de electricidad se realiza de forma trifásica, se

han construido transformadores de estas características.

Hay dos maneras de construirlos: una es mediante tres transformadores monofásicos y

la otra con tres bobinas sobre un núcleo común.

Esta última opción es mejor debido a que es más pequeño, más ligero, más económico

y ligeramente más eficiente.

La conexión de este transformador puede ser:

Estrella-estrella

Estrella-triángulo

Triángulo-estrella

Triángulo-triánguloTransformador ideal y transformador realEn un transformador ideal, la potencia que tenemos en la entrada es igual a la

potencia que tenemos en la salida, esto quiere decir que:

Pero en la realidad, en los transformadores reales existen pequeñas pérdidas que se

manifiestan en forma de calor. Estas pérdidas las causan los materiales que

componen un transformador eléctrico.

En los conductores de los devanados existe una resistencia al paso del corriente que

tiene relación con la resistividad del material del cual están compuestos.

Además, existen efectos por dispersión de flujo magnético en los

devanados. Finalmente, hay que considerar los posibles efectos por histéresis o las

corrientes de Foucault en el núcleo del transformador.

Pérdidas en los transformadores reales

Las diferentes pérdidas que tiene un transformador real son:

Pérdidas en el cobre:  Debidas a la resistencia propia del cobre al paso

de la corriente

Pérdidas por corrientes parásitas: Son producidas por la resistencia

que presenta el núcleo ferro magnético al ser atravesado por el flujo

magnético.

Pérdidas por histéresis: Son provocadas por la diferencia en el

recorrido de las líneas de campo magnético cuando circulan en diferente

sentido cada medio ciclo.

Pérdidas a causa de los flujos de dispersión en el primario y en

el secundario: Estos flujos provocan una auto inductancia en las

bobinas primarias y secundarias.Aplicaciones de los transformadoresLos transformadores son elementos muy utilizados en la red eléctrica.

Una vez generada la electricidad en el generador de las centrales, y antes de enviarla

a la red, se utilizan los transformadores elevadores para elevar la tensión y reducir así

las pérdidas en el transporte producidas por el efecto Joule. Una vez transportada se

utilizan los transformadores reductores para darle a esta electricidad unos valores con

los que podamos trabajar.

Los transformadores también son usados por la mayoría de electrodomésticos y

aparatos electrónicos, ya que estos trabajan, normalmente, a tensiones de un valor

inferior al suministrado por la red  

Por último hacer mención a que uno de los elementos de seguridad eléctrica del hogar

utiliza transformadores. Se trata del diferencial . Este dispositivo utiliza

transformadores para comparar la intensidad que entra con la que sale del hogar. Si la

diferencia entre estos es mayor a 10 mA desconecta el circuito evitando que podamos

sufrir lesiones.

TRANSFORMADORES, TEMAS ESPECIALES

Introducción

En este capítulo se desarrollan muchos temas breves que pueden considerarse independientes. Son temas importantes para la ejecución de un determinado proyecto que presenta las complicaciones de la realidad cotidiana.

El programa de cálculo TRADIM inicialmente se desarrolló para proyectar transformadores de dos arrollamientos y su extensión a tres arrollamientos se podía lograr imponiendo distancias adecuadas entre los arrollamientos y repitiendo el cálculo para cada par de arrollamientos, proyectando finalmente tres transformadores que debían ser coherentes.

El largo proceso de cálculo no era práctico para rápidas verificaciones y se decidió incorporar al programa el caso de tres arrollamientos que se presenta con frecuencia en transformadores grandes y que también se utiliza para transformadores de dos arrollamientos con regulación (formando un tercer arrollamiento).

El programa de cálculo permite calcular máquinas monofásicas y trifásicas con distintos tipos de núcleos, pero algunos problemas que se presentan no pueden ser encarados en forma directa con esta facilidad de cálculo debiendo plantearse adecuadamente los datos transformados.

Este es el caso del autotransformador que puede enfocarse mediante la analogía con un transformador, que es el objeto del cálculo, y que una vez terminado mediante adecuada conexión se obtiene el autotransformador deseado.

En forma parecida se actúa con un transformador con regulación, se lo transforma en uno tres arrollamientos, y una vez calculado se

combinan dos arrollamientos correspondientes lográndose el arrollamiento con regulación.

Alrededor de estos temas que también requieren análisis y profundización teórica se han planteado algunos problemas y se propone estudiarlos.

Cálculo de transformadores de tres arrollamientos

En principio un transformador de tres arrollamientos podría tener potencias cualesquiera para cada arrollamiento, con tal de que se puedan realizar las transferencias binarias que son de interés.

Sin embargo se han impuesto condiciones prácticas, en general un par de arrollamientos permiten la transferencia de la máxima potencia de la máquina 100 %, y el tercer arrollamiento es de potencia 30 a 60 % (condición impuesta para que el arrollamiento resulte suficientemente sólido y soporte fallas externas probables).

Hay transformadores de distribución que tienen dos secundarios, cada uno de 50%, el primario es 100%.

Al encarar el cálculo la potencia de los arrollamientos es el primer valor a definir, los cálculos avanzan luego como para el transformador de dos arrollamientos, pero considerando que se deben definir tensiones y corrientes de los tres arrollamientos.

El otro aspecto de interés es la posición relativa (interior, central, exterior) de los tres arrollamientos, se determinan el número de espiras, considerando galletas, capas, rellenos. Se adopta un valor del flujo, y resultan errores de relación para los arrollamientos de menor tensión.

El dimensionamiento del núcleo se realiza como para el transformador de dos arrollamientos, se obtienen amper espiras por mm y altura del bobinado, sección del conductor, espesor del arrollamiento, con las distancias de aislación se completan las condiciones geométricas que definen la máquina.

Para cada arrollamiento se determinan pesos y pérdidas, y como se conoce la geometría es posible determinar las tensiones de cortocircuito entre cada par de arrollamientos.

También la geometría del núcleo permite evaluar las pérdidas en el hierro, y estimar la corriente magnetizante.

Con las impedancias binarias se pueden determinar los valores de la impedancia de la estrella equivalente.

El cálculo prácticamente ha terminado, es conveniente completar la geometría determinando las dimensiones de máxima que sirven para evaluar cuba, cantidad de aislantes, tanque de expansión, y pesos.

La verificación de cortocircuito se hace para cada par de arrollamientos, considerando que el arrollamiento de alimentación es el de mayor tensión.

Las reactancias binarias

Es claro que las resistencias que se determinan son las de cada arrollamiento particular.

Cuando se determinan las reactancias esto se hace para cada par de arrollamientos, es decir se hace circular corriente en un par de arrollamientos y se determina la reactancia entre ellos.

Se determinan tres reactancias binarias, quizás referidas a distintas corrientes (distinta potencia), y entonces debe hacerse un circuito equivalente del transformador de tres arrollamientos.

El primer paso es referir las tres reactancias a la misma potencia base (generalmente se adopta la mayor de la potencia de los arrollamientos), y luego determinar una estrella equivalente de impedancias, que corresponde a las tres impedancias binarias (que no deben ser confundidas con un triángulo de impedancias).

Regulación

Para un transformador pequeño la regulación es bastante simple de resolver, como se ha visto en el capítulo 1 punto 1.9.

Para un transformador grande de dos arrollamientos el bobinado de regulación frecuentemente se puede observar como un tercer arrollamiento. El caso es complejo y debe encararse con cuidado

para no cometer errores que en la etapa constructiva no pueden ser corregidos.

Regulación bajo carga de transformadores

La regulación de tensión bajo carga permite efectuar la variación de la relación de transformación sin tener que sacar de servicio la máquina y por lo tanto se puede adoptar también cuando la regulación se debe realizar en modo automático, utilizando un regulador automático de tensión.

Desde el punto de vista del esquema de arrollamiento, la regulación bajo carga se puede realizar según los tres principios siguientes:

o regulación de tipo linealo regulación por sustitucióno regulación por inversión

Para cada uno de estos tres tipos de regulación la Figura 1 muestra una representación esquemática monofásica, considerando, para cada tipo, la disposición del arrollamiento de regulación, o de los arrollamientos, respecto al arrollamiento base.

Se debe remarcar que, aun en presencia de situaciones de servicio y exigencias de servicio para las cuales resulta ventajoso regular la tensión sobre el arrollamiento de alta tensión o de media tensión, se debe privilegiar la simplicidad de diseño y construcción.

Es por lo tanto preferible regular solamente el lado sometido a las mayores variaciones de tensión, se deben preferir los arrollamientos conectados en estrella y con corriente no muy elevada (algunos centenares de amperes para máquinas de potencia media, 1000 a 1500 A para máquinas grandes), siendo conveniente colocar el conmutador bajo carga cercano al centro de estrella, y cuando posible utilizando un tipo tripolar, las referencias de la Figura 1 se detallan a continuación:

A. Regulación de tensión de tipo linealB. Regulación de tensión del tipo por sustitución (arrollamiento de

regulación grueso y fino).C. Regulación de tensión del tipo con inversión.

a. Regulación en el principio del arrollamiento.b. Regulación en el final del arrollamiento

Desde el punto de vista de utilización, se observa que la regulación de tipo lineal encuentra aplicación en los casos en los cuales el campo de regulación, y el número de escalones, sea limitado. Cuando no se presenta esta condición, para evitar la presencia de tensiones muy elevadas en los arrollamientos de regulación, se utiliza uno de los otros esquemas, regulación por sustitución o regulación por inversión.

Aún siendo aptos para efectuar la misma función y cubrir el mismo campo de regulación, los otros dos últimos esquemas se diferencian por las siguientes razones:

a. el esquema de regulación por sustitución implica la presencia de un arrollamiento de regulación gruesa y de un arrollamiento de regulación fina y en consecuencia la presencia de un sistema de aislamiento más complejo.

La corriente y las pérdidas en el arrollamiento regulado tienen un comportamiento prácticamente lineal, partiendo de la toma de mínimas espiras hasta aquella de máximas espiras (Figura 2).

b. el esquema de regulación por inversión requiere la presencia de un solo arrollamiento de regulación, que se conecta en fase o en oposición respecto del arrollamiento principal.

La corriente y las pérdidas presentan un comportamiento anómalo respecto a aquel visto en el caso precedente, debido a que en la toma mínima están afectados por la corriente máxima tanto el arrollamiento principal, constituido por las espiras medias, como el arrollamiento de regulación, conectado en contrafase (Figura 2).

Las referencias de Figura 2 se detallan a continuación:

a. Regulación de tipo lineal o por sustituciónb. Regulación de tipo por inversión

Pcum = pérdidas en carga para la toma principal

Pcu = pérdidas en carga para las otras tomas manteniendo la potencia constante (se supone por simplicidad que las secciones de todos los tramos de los arrollamientos de base-grueso-fino es constante).

En cuanto a la variación de la tensión de cortocircuito para las distintas tomas para los diversos esquemas vistos anteriormente, los comportamientos se indican en la Figura 3 , datallándose las referencias a continuación:

Regulación en AT incorporada, disposición arrollamientos BT/AT

Regulación en AT con inversión, disposición BT/AT/R

Regulación en AT gruesa-fina, disposición BT/AT/R, siendo R el arrollamiento de regulación.

El campo de regulación obtenible con la regulación bajo carga, que requiere en la práctica siempre arrollamientos de regulación separados, puede alcanzar valores también elevados.

Normalmente el campo de regulación previsto está contenido entre  10% y  15% de la tensión nominal. Solamente en casos particulares (redes con grandes excursiones de tensión, transformadores con tensión de cortocircuito muy alta), se especifican campos de regulación más amplios, hasta  18% y aún más.

Desde el punto de vista constructivo, es conveniente que la amplitud de cada escalón de regulación esté de algún modo relacionado con la potencia de la máquina y la tensión del arrollamiento regulado.

Amplitudes de escalón pequeñas, por ejemplo menor de 1%, indicados para arrollamientos de 132 ó 220 kV en máquinas de potencia relativamente elevada, por ejemplo 300 a 400 MVA, además de presentar la complicación de un gran número de conductores de conexión al conmutador bajo carga implican también un número de espiras por escalón muy reducido, por ejemplo 2 a 4 espiras, lo cual presenta una dificultad en la construcción del arrollamiento de regulación y condicionamientos en la elección de la sección del núcleo magnético.

Contrariamente, amplitudes de escalón relativamente grandes, por ejemplo de 2 a 2.5%, en arrollamientos con tensión elevada, por ejemplo 400 kV, resultan a menudo no compatibles con el poder de interrupción y las características aislantes del conmutador bajo carga.

Desde el punto de vista del funcionamiento de la red, la amplitud de los escalones es oportuno que no superen el 2%, de manera que las conmutaciones no sean observadas por el usuario. (Para un buen funcionamiento de las redes de alta tensión se aceptan escalones de tensión hasta el 3% solamente durante las maniobras, poco frecuentes, de reactancias shunt o bancos de capacitores).

Por otra parte, escalones inferiores al 1% no producen generalmente algún apreciable mejoramiento a la regulación de tensión de la red, pero causan un desgaste más rápido de los conmutadores bajo carga (mayor número de conmutaciones) y hacen más compleja y costosa la construcción.

Especialmente en presencia de campos de regulación amplios, se debe prestar atención a las tensiones que se pueden presentar entres las distintas partes de un arrollamiento, tanto en servicio, como sobre todo durante los ensayos de impulso con las distintas formas de onda (onda plena, onda cortada, onda de maniobra).

Un estudio de la red equivalente de los arrollamientos del transformador, considerando resistencias, auto y mutua inductancia y capacidad, es necesario para evaluar las solicitaciones que se pueden presentar y por lo tanto adoptar los recursos necesarios para garantizar la capacidad de soportar las solicitaciones dieléctricas de la máquina.

Para los autotransformadores, cuando el arrollamiento de regulación está directamente conectado con una red, pueden presentarse problemas de solicitaciones dieléctricas no indiferentes. En estas circunstancias puede resultar muy ventajoso la inserción, en paralelo con las tomas de regulación, de resistores con característica no lineal, constituidos por una pila de discos a base de óxidos metálicos encerrados en un cilindro aislante.

Se trata de una solución empleada con éxito desde hace muchos años, que permite reducir drásticamente el nivel de las

sobretensiones que se presentan localmente, tanto entre puntos como contra masa, con la consecuente simplificación de las estructuras aislantes.

La limitación de las sobretensiones en los arrollamientos de regulación se ha realizado por medio de capacitores comunes (con armaduras con lámina de aluminio) en derivación con las tomas de regulación dentro de la cuba. Esta solución no debe ser aceptada, y es conveniente en ya cuando se realiza una especificación exluirla. En efecto la falla de un capacitor tiene consecuencias desastrosas para el transformador, como está comprobado por experiencias de su utilización.

A título informativo, se menciona una dato estadístico obtenido por una investigación CIGRE de 1975 con transformadores de interconexión y de centrales instalados en algunos países europeos (Francia, Alemania, Gran Bretaña, Italia) y no europeos (India, Japón, Australia), en redes de tensiones igual o mayor de 230 kV. Resultaba que el 87.5% de 2700 transformadores de interconexión tenía conmutador bajo carga y que el 38.6% de 1000 transformadores de central también lo poseían.

Se observa que en Italia los transformadores de central están normalmente desprovistos de cualquier tipo de regulación, en Francia y Estados Unidos de América y muchos otros países en cambio estos transformadores están dotados de regulación sin tensión, mientras que en Alemania el 90% de los transformadores de central tienen conmutador bajo carga.

Estas distintas soluciones están ligadas a la concepción del proyecto de la red eléctrica, que busca aprovechar al máximo las ventajas de una determinada adopción.

Cálculo de autotransformadores

Los autotransformadores presentan particularidades de interés, el autotransformador es un transformador que funciona con sus arrollamientos eléctricamente unidos, es posible encontrar una forma equivalente de funcionamiento entre ambas máquinas de manera que tanto su estado magnético, como también las corrientes en los arrollamientos sean iguales.

Se puede definir un transformador que llamamos "primitivo", y que conectado adecuadamente es el autotransformador especificado.

Se dispone del programa AUTOTRAX que en base a la especificación del autotransformador (potencia, relación de transformación) define características del transformador primitivo.

Se puede entonces con el programa TRADIM calcular el transformador primitivo correspondiente al autotransformador, se obtiene entre otros resultados la reactancia del transformador primitivo, y nuevamente con el programa AUTOTRAX se determina a partir de los resultados la reactancia del autotransformador.

Se observa que partiendo de transformadores con reactancias "naturales" se obtienen autotransformadores con reactancias muy bajas, que implican corrientes de cortocircuito muy elevadas.

El programa TRADIM desarrollado para el cálculo de transformadores conduce a resultados con valores de reactancias comprendidos entre 4 a 10% en función de la potencia y tensión de la máquina.

Si se pretende que el autotransformador tenga una reactancia comparable con la de un transformador "normal" entonces el transformador primitivo deberá tener una reactancia particularmente elevada, para lo cual al iniciar el cálculo se deben adoptar adecuadamente algunos datos para lograr este objetivo.

Es sabido que los proyectistas tienen cierta preocupación por lo elevados esfuerzos de cortocircuito que se presentan en el autotransformador con relación a los que corresponden a la máquina primitiva.

Para resolver esta situación es necesario imponer en el cálculo del transformador una reactancia particularmente elevada, esto obligó a desarrollar la metodología de proposición de parámetros adecuados para lograr un valor especificado de reactancia.

Finalmente el programa AUTOTRAX calcula la corriente de cortocircuito presente en el autotransformador, y se puede entonces reconocer la magnitud relativa de los esfuerzos de cortocircuito

(que dependen del cuadrado de la corriente), observándose valores que justifican plenamente las preocupaciones citadas.

Determinación del transformador primitivo

Los datos del autotransformador requeridos para determinar el transformador primitivo equivalente son:

Pa = Ua  Ia = Ub  Ib potencia del autotransformador en MVA

Ua = tensión nominal del lado a en kV; Ia

Ub = tensión nominal del lado b en kV; Ib

El autotransformador transmite la potencia parte electromagnéticamente y parte galvánicamente, mientras que en el transformador primitivo sólo corresponde a la transferencia electromagnética (véase la Figura 4).

Entonces a la potencia del autotransformador se le debe restar la parte de potencia transferida galvánicamente para obtener sólo la potencia electromagnética que es la que el transformador primitivo debe transferir (véase la Figura 5).

Pt = U1  I1 = U2  I2 potencia del transformador primitivo en MVA

U1 = tensión nominal del arrollamiento 1 en kV, que resulta U1 = Ua - Ub

U2 = Ub tensión nominal del arrollamiento 2 y del lado b en kV

I1 = Ia para que el estado del arrollamiento sea el mismo en ambas máquinas

En el transformador primitivo:

Pt = U1  I1 = U2  I2 potencia electromagnética

Para el autotransformador:

Pa - Pt = Ub  Ia potencia galvánica = Ua  Ia - U1  I1 = (Ua - U1) Ia

ya que Ib = Ia + I2

Pt = Pa - Ub  Ia reemplazando   resulta

Pt = Pa  (Ua - Ub) / Ua

Esta última relaciona la potencia del transformador primitivo y del autotransformador y permite iniciar el cálculo del autotransformador.

Determinación de la reactancia del autotransformador

Al calcular el transformador primitivo se determina su reactancia en valor relativo, esta debe considerarse repartida entre ambos arrollamientos, normalmente se atribuye 50% a cada devanado.

Es necesario llevar la reactancia a valores absolutos y construir el circuito (simplificado) del transformador primitivo, que conectado adecuadamente se convierte en el circuito del autotransformador (ver Figura 6). Si a este último se le hace "el ensayo de cortocircuito" anulando la tensión Ub y alimentado con Ua (o anulando Ua y alimentando con Ub) se obtiene la reactancia de cortocircuito del autotransformador.

Dibujando el circuito de ensayo en otra forma surge inmediata la relación entre partes de reactancias del transformador primitivo y las del autotransformador, obtenida la reactancia en valor absoluto nuevamente debe ser convertida a valor relativo (refiriéndola en particular) a la potencia del autotransformador.

Impedancias de referencia del transformador primitivo:

zt = reactancia del transformador en p.u.

Como dicho la reactancia debe repartirse 50% en cada uno de los arrollamientos del transformador, eventualmente la repartición debe ser arbitraria pudiendo introducirse su valor con un factor Fque relaciona la reactancia total y la que corresponde al arrollamiento 1.

Z1 = zt  Zb1  F

Z2 = zt  Zb2  (1 - F)

Las ecuaciones que representan el funcionamiento del transformador (primitivo) son:

U1 = E1 + I1 Z1

U2 = E2 - I2 Z2

Pt = E1 I1 = E2 I2

para el autotransformador:

Ua = U1 + U2

Ib = Ia + I2

si se hace el ensayo de cortocircuito alimentando desde Ua y cortocircuitando el lado Ub (véase la Figura 7):

Ub = 0

Ua = E1 + I1 Z1

siendo esta última la reactancia en valor relativo del autotransformador.

Corrientes de cortocircuito

Es de interés comparar las corrientes de cortocircuito que se presentan en el transformador primitivo en su condición de funcionamiento como tal, y las que se tienen cuando se lo conecta como autotransformador y se lo alimenta en forma correspondiente.

Alimentando el transformador desde 1 la corriente de cortocircuito en p.u. resulta:

Alimentando el autotranformador con Ua se tiene:

se recuerda que en particular la potencia de referencia del transformador es distinta a la del autotransformador.

En el autotransformador es además de interés determinar la corriente que circula durante el cortocircuito en el lado de Ub y en el devanado común.

De la potencia del autotransformador se tiene:

Ib = Ia  Ua / Ub

A partir de la potencia del transformador primitivo surge:

I2 = Ib - Ia = Ia  (Ua - Ub) / Ub

Al comparar la corriente Ia con la corriente I1 se observan las mayores exigencias que se tienen para el arrollamiento correspondiente del autotransformador, un razonamiento análogo se puede realizar para el arrollamiento común por donde circula I2 y el arrollamiento 2 del transformador.

Regulación del autotransformador

Otro tema que debe ser examinado es el rango y forma de variación de la relación de transformación, el variador se puede poner en el centro de estrella o en la derivación de media tensión.

El regulador en el centro de estrella puede lógicamente tener el nivel de aislamiento correspondiente al neutro, por otra parte implica variaciones de flujo a medida que cambia la posición del conmutador, ya que cambia el número de espiras.

El cálculo del transformador primitivo debe hacerse para la condición de máximo flujo con lo cual se incrementa el diámetro del núcleo y consecuentemente la espira media del arrollamiento.

En cambio con la regulación puesta en la derivación de media el variador debe al menos soportar la tensión y sobretensiones correspondientes al arrollamiento de menor tensión. La ventaja es que el flujo se mantiene constante (cuando se alimenta del lado de alta tensión) ya que las espiras que se quitan a un arrollamiento se agregan al otro.

Esta condición resulta ventajosa ya que no implica incremento de tamaño de la máquina por las razones citadas.

El proyectista deberá evaluar la conveniencia de una u otra solución en función del problema específico.

El programa AUTOTRAX ayuda a determinar la regulación necesaria en el transformador primitivo, indica las variaciones de flujo con distintas tensiones de alimentación en función de la regulación que se desea para el autotransformador.

Regulación en el centro de estrella

En el centro de estrella se agrega un arrollamiento Ur por lo que se puede considerar que la tensión del lado primario es Ua + Ur y del lado secundario es Ub + Ur si la regulación deseada es "reg" se debe cumplir:

el valor de Ur resulta:

La variación del arrollamiento 1 es nula y la del arrollamiento 2 resulta:

reg2 = Ur / U2

El flujo cambia por la variación del número de espiras, alimentando el transformador del lado a con la tensión Ua se observa una variación de flujo:

Ua / (Ua + Ur)

y la tensión del lado b resulta Ub / (1+reg)

Si en cambio se mantiene constante la tensión del lado b la variación del flujo es:

Ub / (Ub + Ur)

y la tensión del lado a resulta Ub = Ua  (1+reg)

Regulación en la derivación de media tensión

En este caso la parte de devanado que corresponde a Ur hace que sólo cambie la tensión de la derivación media según se indica:

La variación de los arrollamientos 1 y 2 es igual en número de espiras pero distinta en valor relativo como se indica:

reg1 = -Ur / U1

reg2 = Ur / U2

En este caso el flujo no cambia, a la disminución del número de espiras de un arrollamiento corresponde el aumento en el otro, alimentando el transformador del lado a con la tensión Ua.

Alimentando del lado b la variación de flujo es

Ub / (Ub + Ur)

Reactores zigzag

Hemos visto un reactor zig-zag como un transformador con primario en zig-zag y secundario en vacío, también un reactor zig-zag puede verse como un autotransformador descargado.