Tema 3: El Transformador Eléctrico PDF

Tema 3 El transformador eléctrico  COMPRENDER EL ANALIZAR LAS APLICACIONES FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE PRACTICES DE LA FUERZA UN TRANSFORMADOR CONTRA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA Obje...

Tema 3 El transformador eléctrico  COMPRENDER EL ANALIZAR LAS APLICACIONES FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE PRACTICES DE LA FUERZA UN TRANSFORMADOR CONTRA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA Objetivos IDENTIFICAR LAS CLASIFICAR LOS TIPOS DE CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES TRANSFORMADORES DEL TRANSFORMADOR ELÉCTRICOS SEGÚN SU PRÁCTICO PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Contenido Número de Fuerza contra vueltas en un Fundamento El transformador electromotriz transformador y operativo ideal inducida relación de transformación Diagramas Impedancia vectoriales El transformador interna y Pérdidas y asociados a los práctico regulación de eficiencia transformadores voltaje eléctricos Tipos de Métodos para Construcción de transformadores prueba transformadores y sus aplicaciones Introducción ¿Qué es un transformador? Un transformador es un dispositivo que cambia la potencia eléctrica alterna con un nivel de voltaje a potencia eléctrica alterna con otro nivel de voltaje mediante la acción de un campo magnético. Consta de dos o más bobinas de alambre conductor enrolladas alrededor de un núcleo ferromagnético común. Estas bobinas (normalmente) no están conectadas en forma directa. La única conexión entre las bobinas es el flujo magnético común que se encuentra dentro del núcleo.  Esta foto de Autor desconocido está bajo licencia CC BY Esta foto de Autor desconocido está bajo licencia CC BY-NC Esta foto de Autor desconocido está bajo licencia CC BY-NC-ND Transformadores Esta foto de Autor desconocido está bajo licencia CC BY-NC-ND ¿Por qué son importantes? Transmisión y distribución  Automatización y Control: En sistemas automatizados, los importarme como transformadores aseguran que los componentes electrónicos y mecánicos reciban el voltaje adecuado, lo cual es vital para el funcionamiento correcto de equipos ¿Por qué deben como robots y sistemas de control. Diseño de Sistemas: Los ingenieros en mecatrónica a mecatrónica? menudo diseñan sistemas que integran componentes Ingeniero en eléctricos y electrónicos. Un buen entendimiento de los transformadores les permite crear sistemas más eficientes y seguros. Mantenimiento y Solución de Problemas: Conocer cómo funcionan los transformadores ayuda a los ingenieros a diagnosticar y solucionar problemas en sistemas eléctricos complejos, mejorando la fiabilidad y el tiempo de actividad de los equipos. Innovación y Desarrollo: La capacidad de trabajar con transformadores permite a los ingenieros en mecatrónica innovar en el diseño de nuevos productos y sistemas que requieren una gestión eficiente de la energía.  Comprender el principio de Objetivos funcionamiento de un de la transformador, la ley de Faraday y el concepto de fuerza sesión 1 contraelectromotriz. Fundamento operativo  Como ya se mencionó, está formado por dos o más bobinas de alambre conductor enrolladas sobre un Construcción núcleo de material ferromagnético. Los devanados Uno de los devanados del transformador se conecta a una fuente de energía eléctrica alterna y el segundo (y quizá el tercero) suministra energía eléctrica a las cargas. El devanado del transformador que se conecta a la fuente de potencia se llama devanado primario o devanado de entrada, y el devanado que se conecta a la carga se llama devanado secundario o devanado de salida. Si hay un tercer devanado en el transformador, se llama devanado terciario. Los transformadores de potencia se construyen de dos maneras. Un tipo de transformador consta de una pieza de acero rectangular, laminada, con los devanados enrollados sobre dos de los lados del rectángulo. Esta clase de construcción, conocido como transformador tipo núcleo, se ilustra en la fi gura 2-2. El otro consta de un núcleo laminado de tres columnas, cuyas bobinas están enrolladas en la columna central. Esta clase de construcción se conoce como transformador tipo acorazado y se ilustra en la figura 2-3. Principio de inducción Voltaje produce corriente Voltaje inducido produce Corriente circulación de produce campo corriente al magnético cerrarse un circuito Flujo magnético Campo variable induce magnético voltaje en una produce flujo espira magnético Fuerza contra electromotriz inducida ¿Se quema? Toma 30 m de alambre AWG 14 y conecta cada uno de sus extremos a uno de los orificios del tomacorriente. ¿Qué esperas que suceda? ¿Y ahora? ¿Ya te asomaste al transformador? Son metros de cable enrollados ¿Por qué no se quema?  Cuando una corriente eléctrica fluye a través de un conductor, genera un campo magnético a su alrededor. Este Fuerza campo magnético induce una contraelectromo tensión en el mismo triz conductor, pero en sentido opuesto a la tensión aplicada. Esta tensión inducida es la f.c.e.m. y se opone al cambio de corriente.  Esta ley establece que el sentido de la corriente inducida en un circuito siempre se opone a la causa que la produce. En este caso, la causa es el cambio en el flujo magnético Ley de generado por la corriente en el propio devanado. Lenz La f.c.e.m. es una manifestación de la inductancia de un circuito. La inductancia es la propiedad de un circuito eléctrico que se opone a los cambios en la corriente eléctrica. Ley de Lenz La f.c.e.m. limita el aumento rápido de la corriente cuando se aplica una tensión a un circuito inductivo. Esto ayuda a proteger los componentes del circuito. En resumen: Un voltaje senoidal aplicado al primario, origina una corriente en los devanados primarios. origina un flujo senoidal en el núcleo ferromagnético. (1) induce un voltaje , en el primario que, según la ley de Lenz, se opone a y por tanto limita a y (2) induce a en el secundario Al cerrarse el circuito en el secundario se origina una corriente en la carga a través del devanado secundario origina el cual se opone a El flujo reducido en el núcleo da origen a una disminución de Esto aumenta el voltaje neto en la impedancia del devanado, lo cual resulta en un incremento adicional de corriente en el devanado primario El flujo creado por se opone y neutraliza a dejando a como el flujo significativo que mantiene un y un constantes. Número de vueltas en un transformador y relación de transformación Relación de transformación Es la proporción entre las vueltas en el devanado del primario y las vueltas en el devanado del secundario. Esta ´proporción servirá también para determinar la relación entre los voltajes y las corrientes de primario y secundario, de acuerdo con la siguiente expresión: Relación de transformación Donde NP es el número de vueltas del devanado del primario, NS el número de vueltas del secundario, VP la tensión o voltaje aplicado en el primario, VS la tensión obtenida en el secundario, IS la corriente que circula en el secundario, IP la generada en el primario y rt la relación de transformación, también representada con la letra a. El transformador Las relaciones de interés: This Photo by Unknown Author is licensed under CC BY-SA El transformador Calcule la resistencia efectiva vista desde el primario de un transformador 15:1 conectado a una carga de 8 Ω. ¿Qué relación de vueltas en el transformador se requiere para igualar la carga de una bocina de 16 Ω, de modo que la resistencia de carga efectiva vista en el primario sea de 10 kΩ? El transformad or ideal Consideraciones iniciales Un transformador ideal es aquel en el cual no hay pérdidas de potencia ni pérdidas de flujo magnético, y además la permeabilidad magnética del núcleo es mucho mayor que. A pesar de que dicho transformador no existe, a través del estudio de un transformador ideal se puede analizar con mayor simplicidad el funcionamiento de los transformadores reales (que en la práctica se le aproximan mucho). Consideracio En suma, en un transformador ideal se cumplen las siguientes nes iniciales condiciones: b) No hay flujos de a) Permeabilidad fuga, es decir, el del núcleo μ → ∞ flujo es enlazado (reluctancia en su totalidad por despreciable). ambos enrollados c) No hay pérdidas Joule en los enrollados (la d) No hay pérdidas resistencia de potencia en el eléctrica de los núcleo. enrollados es nula). Transformador ideal y a La relación de transformación a puede derivarse del análisis del funcionamiento del transformador ideal en vacío: El voltaje inducido Ep está dado por la ley de Faraday por: En el transformador ideal Ep=Vp (LVK); esto implica que los valores instantáneos del voltaje inducido y el voltaje en terminales son iguales y, en consecuencia Transformador ideal y a Ahora, si , entonces, usando la expresión Tenemos que Y de modo similar Combinando tenemos: Transformador ideal y a Además, debido a que el transformador es ideal, la fmm a lo largo del circuito magnético debe ser cero, esto es o Para un flujo senoidal, el valor RMS de la fem inducida en el primario será: Donde es la frecuencia en Hz El transformad or práctico Pérdidas en el transformador A diferencia de los transformadores ideales, los transformadores prácticos sí tienen pérdidas: Pérdidas resistivas Pérdidas del núcleo: (I2R) en el devanado por histéresis y por primario y en el corrientes parásitas devanado secundario. Al incluir las pérdidas, el modelo del transformador ideal pasa de ser: A:  De Chapman El esquema anterior, con la nomenclatura de Chapman (2012): Simplificación Este modelo se puede simplificar si se refieren las impedancias a un solo lado del transformador ideal: Referido al secundario Referido al primario  Es posible determinar experimentalmente los valores de las Determinaci impedancias y resistencias en el ón de los modelo del transformador. Se puede componente obtener una aproximación adecuada de estos valores con únicamente dos s del modelo pruebas: la prueba de circuito abierto y la prueba de cortocircuito.  En la prueba de circuito abierto se deja abierto el circuito del devanado secundario del transformador y su devanado primario se conecta a una línea de voltaje pleno. Obsérvese el circuito equivalente en la figura 2-17. En las condiciones descritas toda la corriente de entrada debe fluir a través de la rama de excitación hacia el transformador. Los elementos en serie RP y XP son demasiado pequeños en comparación con RN y XM como Prueba de para causar una caída significativa de voltaje, por lo que esencialmente todo el voltaje de entrada cae a través de circuito la rama de excitación. abierto  Las conexiones de la prueba de circuito abierto se muestran en la fi gura 2-19. Se aplica una línea de voltaje pleno al primario del transformador y se miden el voltaje de entrada, la corriente de entrada y la potencia de entrada al transformador. Con esta información se puede determinar el factor de potencia Prueba de de la corriente de entrada y, por lo tanto, la magnitud y el ángulo de la impedancia de excitación. circuito abierto Rama de magnetización La manera más fácil de calcular los valores de RN y de XM consiste en estimar primero la admitancia de la rama de excitación. La conductancia del resistor de perdidas en el núcleo está dada por mientras que la susceptancia del inductor de magnetización está dada por Puesto que los dos elementos están en paralelo, se suman sus admitancias y la admitancia de excitación total es Rama de magnetización Por otra parte, la magnitud de la admitancia de excitación (referida al lado del transformador usado para la medición) puede calcularse con base en el voltaje y corriente de la prueba de circuito abierto: Y el ángulo de admitancia se puede calcular con base en el factor de potencia del circuito. El factor de potencia (FP) del circuito abierto está dado por: El factor de potencia siempre está en retraso en un transformador real, por lo que el ángulo de la corriente siempre está en retraso con respecto al ángulo de voltaje en  grados. Por lo tanto, la admitancia YE es  Finalmente, RN y XM se pueden calcular al Rama de comparar las dos expresiones obtenidas: magnetizaci ón Prueba de Corto circuito Prueba de Corto circuito Prueba de Corto circuito Regulación de voltaje y eficiencia Asignación: leer paginas 80-83 de García Cristiano, B.A. (2023). Apuntes Materia: Máquinas Eléctricas. Instituto Tecnológico de Mérida. https://rinacional.tecnm.mx/jspui/bitstream/TecNM/7844/1/MAQUINAS%2 0ELECTRICAS-BEATRIZ%20AURORA%20GARCIA%20CRISTIANO.pdf El transformador trifásico Los transformadores pueden ser inherentemente trifásicos, con tres devanados primarios y tres secundarios montados en un núcleo de tres patas. Sin embargo, se obtiene el mismo resultado con tres transformadores monofásicos conectado entre sí para formar un banco de transformadores trifásico.  Cuando se utilizan tres transformadores monofásicos para transformar un voltaje trifásico, los devanados se pueden conectar de varias maneras. Así pues, los primarios se pueden conectar en delta y los secundarios en Y, o viceversa. Como Propiedades resultado, la relación del voltaje de entrada trifásico al voltaje de salida de los trifásico depende no sólo de la relación de vueltas de los transformadores, sino transformado también de la manera en que éstos están conectados. res trifásicos Al realizar las conexiones, es importante observar las polaridades del transformador. Un error en la polaridad puede ocasionar un cortocircuito o desbalancear los voltajes y corrientes de línea. Conexión delta-delta Conexión delta-delta Esta conexión se distingue Además, los tres porque los arrollamientos enrollamientos de cada lado están conectados forman un circuito cerrado directamente a dos hilos de por el cual puede fluir una la línea en ambos lados, lo corriente ficticia que tenga cual determina de manera igual sentido en las tres precisa la tensión aplicada y fases al mismo tiempo, desarrollada en cada como lo es la tercera arrollamiento. armónica. Pros y contras Ventajas: Poder usar conductores de menor diámetro al operar a tensión más alta. Anular las terceras armónicas. Desventajas: Al no permitir conductor neutro, no permite la distribución con dos tensiones alternativas. Conexión delta-Y Conexión delta-Y Esta conexión se emplea en Esta conexión es de las más aquellos sistemas de empleadas, se utiliza en los transmisión en que es sistemas de potencia para necesario elevar voltajes de elevar voltajes de generación o generación. En sistemas de transmisión, en los sistemas de distribución es conveniente su distribución para alimentación uso debido a que se pueden de fuerza y alumbrado. tener dos voltajes diferentes (entre fase y neutro) Pros y contras Ventajas: No le afectan las armónicas. Acepta bastante bien las cargas desequilibradas por el neutro secundario. Desventajas: Debido a la conexión Y en su lado secundario presenta una falta de simetría respecto a las corrientes y tensiones. Conexión Y-Y Conexión Y-Y Esta conexión es la más usada en sistemas de alta tensión, debido a que la tensión en cada bobina es solo 1.73 veces menor que la tensión de línea. Y debido a que implica corrientes más elevadas, obliga al uso de conductores de mayor diámetro, lo que hace al transformador más apto para tolerar eventuales corto circuito. Pros y contras Ventajas: Al permitir el conductor neutro, logra que todo el sistema tenga respecto a tierra una tensión prefijada.. Desventajas: La afectan mucho las armónicas. Conexión Y- delta Los voltajes y corrientes de una conexión Y-delta son idénticos a los de la conexión delta-Y Las conexiones primaria y secundaria simplemente se intercambian. En otras palabras, las terminales H2 se conectan entre sí para crear un neutro, y las terminales X1, X2 se conectan en delta. De nuevo, el resultado es un desplazamiento de fase de 30° entre los voltajes de las líneas entrante y saliente. Conexión Y-delta Se utiliza esta conexión en los sistemas de transmisión de las subestaciones receptoras cuya función es reducir voltajes. En sistemas de distribución es poco usual; se emplea en algunas ocasiones para distribución rural a 20 kV. Una razón de ello es que se tiene un neutro para aterrizar el lado de alto voltaje lo cual es conveniente y tiene grandes ventajas. Pros y contras Ventajas: La delta anula el efecto de las armónicas Desventajas: Debido a la conexión estrella en su lado primario presenta una falta de simetría respecto a las corrientes y tensiones..