Transformador

El TRANSFORMADOR:

El transformador es una máquina electromagnética que sirve para transferir energía eléctrica entre dos circuitos aislados eléctricamente y unidos magnéticamente. La transferencia se efectúa con frecuencia constante.

También se define a un transformador como una máquina que cambia las características de la energía eléctrica, tales como el voltaje y la corriente, pero con frecuencia constante.

Los Transformadores pueden ser reductores o elevadores.

Son reductores cuando entregan la energía a menor voltaje que el que reciben.

Son elevadores cuando entregan la energía a mayor voltaje que el que reciben.

Normalmente los transformadores tienen dos embobinados uno con suficiente aislamiento para operar a alta tensión y el otro con menor aislamiento para operar a baja tensión.

De lo anterior se deduce el nombre que reciben los embobinados de un transformador.

1. Alta tensión.
2. Baja tensión.

Como regla general recibe el nombre de embobinado primario, el embobinado de un transformador que recibe la energía en alta o en baja tensión.

Recibe el nombre de embobinado secundario, el embobinado de un transformador que entrega la energía al sistema en baja o en alta tensión.

Las partes principales de que está constituido un transformador son las siguientes:

1. El núcleo magnético: Está formado por un conjunto de laminaciones de material de muy buena calidad normalmente de alto contenido de silicio, las laminaciones van superpuestas y varían sus espesores entre 15 y 25 milésimas de pulgada. El núcleo formando un marco o un cuadro de determinadas dimensiones constituye un circuito magnético cerrado.

2. Los embobinados: Normalmente el transformador lleva un embobinado de baja tensión y otro de alta tensión con suficiente aislamiento en cada caso quedando el de baja tensión hacia adentro y el de alta tensión hacia fuera, con el núcleo magnético en el centro de los dos, en los tipos de transformadores más comunes.

3. El tanque principal: Es un depósito completamente hermético que contiene en su interior el núcleo magnético con los embobinados del transformador los que quedan sumergidos dentro del aceite aislante que contiene el tanque. Lleva en la parte superior una tapa que se coloca herméticamente haciendo uso de una junta especial.

Sobre la tapa superior van colocadas unas boquillas aislantes de porcelana llamadas bushings a las que van conectadas las terminales de alta tensión, en la parte frontal van colocadas tres o cuatro boquillas aislantes a las que van colocadas las terminales del embobinado de baja tensión (las “pasa tapas”).

Lleva el transformador instalado conectado en la parte exterior superior un indicador de nivel que marca en todo momento el nivel del aceite dentro del tanque.

En la parte inferior del tanque hay una conexión de tubería con una válvula que sirve para drenar el aceite del tanque y otra válvula de menor tamaño para obtener muestras del aceite al cual se le efectúa periódicamente su “prueba de rigidez dieléctrica”.

Como se comprenderá el transformador es una pieza estática que carece de piezas móviles, no tiene entrehierro como sucede con las máquinas eléctricas rotatorias (como por ejemplo: los generadores o los motores) y las pérdidas en él mismo son muy reducidas, razón por la cual esta máquina (como la denominan algunos autores) es la más eficiente de todas las máquinas eléctromagnéticas, teniendo el caso de transformadores con una eficiencia igual al 98% y al 99%.

Núcleo de hierro, embobinado primario, embobinado secundario de un transformador.

Núcleo de hierro, devanado de menor tensión, devanado de mayor tensión.

Para determinar muchas soluciones entre voltaje, espiras y corriente no se comete ningún error apreciable al considerar que esta máquina tiene una eficiencia igual al 100%.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN:

El principio de operación del transformador se basa en que se puede transformar energía eléctrica por inducción electromagnética entre dos grupos diferentes de bobinas que se encuentran colocadas en el mismo circuito magnético (núcleo magnético) en el que deberá tenerse un flujo magnético variable.

En los generadores de corriente continua y también en los alternadores, el flujo producido en el circuito magnético es constante, pero se logra su variación con el movimiento relativo de los conductores con respecto al campo magnético y viceversa.

(En el generador de corriente continua: se mueven los conductores y permanecen fijos los polos magnéticos.

En el generador de corriente alterna o alternador: se mueven los polos magnéticos y permanecen fijos los conductores).

La operación del transformador se basa en el principio de inducción de Faraday.

Si alimentamos el primario de un transformador con corriente continua, el flujo inducido por este tipo de corriente que es unidireccional será constante y la fuerza electromotriz inducida (o voltaje) será igual a cero.

Para que un transformador pueda operar satisfactoriamente, es necesario alimentar su devanado o embobinado primario con voltaje de corriente alterna, pues debido a que esta varía cíclicamente con la frecuencia (60 ciclos por segundo) de la línea de alimentación, el flujo magnético producido por ella en el transformador variará, y esta variación permitirá que en el transformador haya inducción de fuerza electromotriz inducida (voltaje).

Una de las figuras anteriores nos representa el circuito magnético y los embobinados primario y secundario con las direcciones en que circulan las corrientes y el flujo magnético.

Si consideramos que se trata de un transformador reductor en el que el embobinado primario deberá tener mayor número de espiras que el embobinado secundario, es decir N1>N2. Tomando en cuenta que al aplicarle corriente alterna, esta estará entrando al transformador por su terminal superior

durante la alternancia negativa.

Debido a esta condición y aplicando la regla del tirabuzón veremos que se conduce un flujo magnético que en este caso se desplazará a través del núcleo en el sentido de las manecillas del reloj.

Para determinar el sentido en que circulará la corriente inducida en el embobinado o devanado secundario, debemos aplicar la Ley de Lenz, que establece lo siguiente:

“En todos los casos de inducción electromagnética los efectos se oponen a las causas que las producen”.

Por consiguiente la corriente inducida en el embobinado o devanado secundario deberá inducir un flujo magnético que se oponga al flujo magnético que lo produjo.

El flujo magnético inducido por la corriente del embobinado primario (I1) y que llamaremos Øm, al desplazarse a través del circuito magnético (núcleo magnético), cortará también los conductores del embobinado secundario, siendo común a los dos embobinados, razón por la cual se le conoce con el nombre de flujo mutuo.

La dirección que deberá tener la corriente inducida en el embobinado o devanado secundario deberá ser tal que el flujo magnético inducido por ella en ese embobinado tenga tal dirección que se oponga al flujo mutuo.

Todas las condiciones establecidas en el transformador serán válidas por lo que a los sentidos se refiere, durante las alternancia positiva y se invertirán todas durante la alternancia negativa.

Teniendo en cuenta que el flujo mutuo es común al primario y al secundario la fuerza electromotriz inducida en una espira del primario deberá ser igual a la fuerza electromotriz inducida en una espira del secundario.

Llamando por N1 al número de espiras que tiene el embobinado primario y por N2 al número de espiras que tiene el embobinado secundario; por E1 a la fuerza electromotriz inducida en el primario y por E2 a la fuerza electromotriz inducida en el secundario, podemos establecer entonces que la fuerza electromotriz inducida en una espira del primario debe ser igual a la fuerza electromotriz inducida en una espira del secundario, lo cual queda establecido por medio de la siguiente fórmula:

{E1/N1 = E2/N2} - - - - - - - - - - - - (1), y de aquí se deduce que:

{E1/E2 = N1/N2 = r} - - - - - - - - - - (2), siendo r, relación de transformación.

Lo anterior nos indica que la fuerza electromotriz inducida en cualquiera de los embobinados del transformador es directamente proporcional al número de espiras (vueltas) y que la relación que existe entre las fuerzas electromotrices inducidas de los embobinados es igual a la relación que existe entre el número de espiras o vueltas, valor que para cualquier transformador es una relación constante que se conoce con el nombre de “relación de transformación” (r).

Transformador tipo poste, de distribución urbana, trifásico, enfriamiento tipo o a, capacidad: 112. 5  k. v. a., relación: 13.2 k. v. – 220 v / 127 v, 60  c. p. s.

Conexión: delta en el primario, estrella en el secundario.

Partes de un Transformador Monofásico:

Bancos de Transformadores:

En las grandes subestaciones de los sistemas  de potencia, así como en los circuitos de distribución urbana y rural, es necesario a menudo instalar bancos de transformadores monofásicos en conexiones trifásicas de acuerdo con las necesidades que se presenten. En los sistemas trifásicos pueden utilizarse tres transformadores en banco para este fin, sin embargo existen arreglos para solo dos transformadores.

Hay cuatro formas normales de conectar un banco trifásico:

1. Conexión Delta-Delta.
2. Conexión Estrella –Estrella.
3. Conexión Delta-Estrella.

4.    Conexión Estrella-Estrella.

Las principales condiciones para la conexión en banco de transformadores monofásicos, son las siguientes:

-  Que los transformadores tengan la misma capacidad en K.V.A.

-  Que sus voltajes primario y secundario sean iguales. (Misma relación de voltajes).

-  Que tengan idénticas marcas de polaridad.

-  Es necesario que los diagramas vectoriales o fasoriales resultantes de las tres fases, formen figuras iguales y de lados paralelos.

Es recomendable que los transformadores sean del mismo fabricante (IEM, Prolec, etc.).

Ahora se presentan algunas conexiones de bancos de transformadores monofásicos: