Resumen Tema 4 Transformadores Eléctricos PDF

TEMA 4 TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS ================================= 1. Constitución de un transformador ----------------------------------- Un transformador eléctrico está formado, esencialmente, por tres partes: Un circuito magnético. Dos circuitos eléctricos ### 1.1 Circuito magnético El...

TEMA 4 TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS ================================= 1. Constitución de un transformador ----------------------------------- Un transformador eléctrico está formado, esencialmente, por tres partes: Un circuito magnético. Dos circuitos eléctricos ### 1.1 Circuito magnético El núcleo magnético de un transformador es donde se enrollan los devanados y se genera el flujo magnético alterno. Está hecho de chapas de acero al silicio, aisladas entre sí para minimizar las pérdidas por corrientes de Foucault. Se compone de dos partes principales: - las columnas, que sostienen los devanados - las culatas, que las unen. Existen dos tipos de núcleos: - el núcleo sin acorazar (dos columnas) - el núcleo acorazado (tres columnas), siendo este último el más utilizado por su eficiencia en reducir la dispersión del flujo magnético. El núcleo acorazado está formado por ramas laterales y una central de mayor tamaño, construidas con chapas en forma de E e I. ### 1.2 Circuitos eléctricos Un transformador consta de dos circuitos eléctricos, cada uno formado por bobinas de hilo de cobre recubiertas de barniz como aislante. Estos circuitos son: \- \*\*Devanado primario\*\*: Recibe la energía eléctrica y puede ser de alto o bajo voltaje, dependiendo de la aplicación. \- \*\*Devanado secundario\*\*: Suministra la energía eléctrica transformada, generando fuerza electromotriz a partir del magnetismo del núcleo, y también puede ser de alto o bajo voltaje. Los devanados se pueden clasificar como bobinado de alta tensión y bobinado de baja tensión. Existen dos tipos de bobinados: cilíndrico, para núcleos sin acorazar, y plano, para núcleos acorazados. Ambos se construyen en partes superpuestas para mejorar el aislamiento y la refrigeración, reduciendo la filtración de flujo. El transformador es reversible, lo que significa que el devanado primario puede funcionar como secundario y viceversa. Por ejemplo, un transformador de 380/220 V puede conectarse a una red de 380 V para obtener 220 V, o a una red de 220 V para obtener 380 V \[T6\]. 2. Principio de funcionamiento y generalidades ---------------------------------------------- Los transformadores funcionan mediante la inducción electromagnética, generando corriente a través de un campo magnético. Al conectar el devanado primario a una tensión V1, se produce una corriente que genera un flujo magnético en el núcleo. Este flujo, que varía con la corriente alterna, se transfiere al devanado secundario, creando una fuerza electromotriz (E2) en él. La tensión inducida en el secundario es proporcional al flujo y al número de espiras en ambos devanados. La relación entre la tensión y el número de espiras en los devanados se conoce como relación de transformación. Para un transformador ideal, esta relación se mantiene constante, aunque en transformadores reales se presentan pérdidas que deben considerarse. Sin embargo, la fórmula puede usarse para cálculos aproximados, ya que los resultados son bastante cercanos a la realidad \[T1\], \[T6\]. Donde: m: Es la relación de transformación. : Es la tensión aplicada en el devanado primario. : Es la tensión aplicada en el devanado secundario. : Es el número de vueltas del primario. : Es el número de vueltas del secundario. : Es la intensidad que llega al primario. : Es la intensidad generada por el secundario. Tendremos un transformador reductor cuando Y un transformador elevador cuando: 3. Clasificación de los transformadores --------------------------------------- ### 3.1 Transformadores de potencia Se usan para la transmisión, tras elevar o reducir, de la energía eléctrica en alta y media tensión. Este tipo de transformadores se utilizan en las centrales de generación y las subestaciones transformadoras, habitualmente ### 3.2 Transformadores de distribución Los transformadores de distribución tienen potencias de hasta 500 kVA y tensiones que no superan los 67,000 V. Se utilizan para distribuir energía eléctrica en media tensión, tanto en interiores como en exteriores, y son comunes en zonas urbanas, centros comerciales, industrias y actividades que requieren un alto consumo energético. Se clasifican en varios tipos: \- \*\*Herméticos\*\*: Compactos y de bajo mantenimiento, ideales para media tensión. \- \*\*Secos encapsulados\*\*: Utilizan resina epoxi, adecuados para instalaciones que requieren alta seguridad y con mínimo mantenimiento. \- \*\*Subterráneos\*\*: Pueden ser de alta o baja tensión, instalados en cámaras a diferentes niveles. \- \*\*De poste\*\*: Diseñados para ser instalados en monopostes en redes suburbanas. \- \*\*Autoprotegidos\*\*: Ofrecen protección contra cortocircuitos y sobrecargas, aunque son más costosos debido a sus sistemas de protección \[T5\], \[T6\]. ### 3.3 Autotransformadores Son máquinas que comparten el bobinado primario y secundario en un único devanado, es decir, están unidos físicamente. Se trata de transformadores de una única bobina. Suelen utilizarse en aquellos casos donde existe poca diferencia entre la tensión del primario y el secundario. Principalmente, su uso está destinado a realizar ajustes de voltaje de línea con el objetivo de modificar su valor o mantenerlo constante. Para realizar este cometido, los más adecuados son los toroidales (fig. 8) y de cursor. Máquinas eléctricas Las principales ventajas con respecto a los transformadores son las siguientes: Menor coste debido al ahorro de materiales para su construcción y montaje. Mejor regulación de tensión y pérdidas más bajas. Mayor potencia y rendimiento. El inconveniente principal de este tipo de transformador es la falta de aislamiento entre primario y secundario, y su baja regulación de tensión. ### 3.4 Transformadores de medidas Estos transformadores pueden ser de intensidad o de corriente: Intensidad: Transforman, del devanado primario, las corrientes de alto valor de una manera proporcional a corrientes de bajo valor, seguras y medibles en el secundario. Tensión: Transforman, del devanado primario, el voltaje de alto valor de una manera proporcional a voltajes de bajo valor, seguros y medibles en el secundario. El principal cometido es aislar y reducir a valores no peligrosos, que estén normalizados, las características de intensidad y tensión de la red eléctrica. Están diseñados para alimentar: aparatos de medidas, contadores, relés de protección, etc. El valor de la relación de transformación de estos transformadores es, habitualmente, de diez o múltiplo de este, con el objetivo de que las lecturas de los aparatos de medidas sean más fáciles. Las principales aplicaciones de los transformadores de medidas son: Medidas de facturación. Protección de líneas de distribución y subestaciones. Protección de bancos condensadores. Las ventajas de este tipo de transformadores son: Existen muchas referencias y tipos según las necesidades de la instalación. Muy alta precisión, invariable a lo largo de su vida útil. Están fundidos en resina epoxi con una alta rigidez dieléctrica 4. Ensayos normalizados aplicados a transformadores monofásicos y trifásicos ---------------------------------------------------------------------------- Existen diferentes tipos de ensayos, que veremos en los sucesivos subapartados ### 4.1 Funcionamiento en vacío En el ensayo de vacío, se alimenta el circuito primario del transformador con su tensión nominal mientras el circuito secundario permanece sin carga. Este ensayo permite medir la potencia perdida en el hierro del circuito magnético. Se deben registrar la tensión en los bornes del primario y del secundario, así como la corriente y la potencia en el devanado primario. Los resultados permiten verificar si el voltaje en el secundario es el esperado, calcular la relación de transformación (m), y determinar la corriente consumida sin carga, así como las pérdidas en el hierro, que son las más relevantes, ya que las pérdidas en el cobre se consideran despreciables \[T6\]. ### 4.2 Ensayo de cortocircuito El ensayo de cortocircuito implica cortocircuitar el devanado secundario y suministrar tensión al primario desde cero, utilizando un amperímetro para alcanzar la intensidad nominal en el secundario. Se emplean autotransformadores regulables para este proceso. La tensión de cortocircuito es la que se necesita para lograr la intensidad nominal, medida por un voltímetro. Este ensayo permite determinar las pérdidas en el cobre de los devanados sin requerir cargas o tensiones elevadas, y las mediciones del vatímetro reflejan estas pérdidas, mientras que las pérdidas en el hierro se consideran despreciables \[T5\], \[T6\]. ### 4.3 Ensayo de carga El ensayo de carga consiste en operar el transformador bajo las condiciones para las que fue diseñado, aplicando la tensión nominal al devanado primario y conectando la máxima carga regulable en el secundario. Se realizan mediciones similares a las del ensayo de vacío, añadiendo un amperímetro para verificar la corriente en el secundario. Este ensayo permite determinar la caída de tensión en el secundario al comparar los valores con y sin carga, así como calcular la relación de transformación basada en las corrientes del primario y secundario \[T5\], \[T6\]. ### 4.4 Rendimiento La medida del rendimiento se hace de manera indirecta. Para ello, se toman los valores de las pérdidas en el hierro y el cobre obtenidos en los ensayos de cortocircuito y de vacío. ### 4.5 Medidas de aislamento Esta prueba se lleva a cabo para medir y comprobar la resistencia de aislamiento que se obtiene entre los devanados, y entre el núcleo y estos. Para realizar la prueba, se utiliza un megóhmetro, y con él se obtendrá un valor óhmico muy alto (MΩ). En caso de no obtenerlo, significará que hay un problema de aislamiento. Resistencia de aislamiento entre devanados: Hay que cortocircuitar, del primario y secundario, todos los terminales. Ambos puntos de unión se conectan a los bornes del megóhmetro. Resistencia de aislamiento entre devanados y núcleo: Hay que mantener cortocircuitados, del primario y secundario, los bornes, que se conectan, juntos o por separado, a una punta de prueba del megóhmetro, y otro punto del núcleo (que no se encuentre aislado) se conecta a la segunda punta de prueba.