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Este documento técnico proporciona una descripción detallada de los principales aspectos a considerar en la especificación y evaluación del desempeño de transformadores de potencia. Abarca temas como la evaluación del desempeño térmico, magnético y de cortocircuito, así como los requisitos de los materiales utilizados en los devanados y el núcleo. También se discute la vida útil esperada del aislamiento y la capacidad de resistir cortocircuitos. Un enfoque integral para garantizar la calidad y confiabilidad de los transformadores de potencia, lo que lo convierte en una referencia valiosa para ingenieros y profesionales del sector eléctrico.
Tipo: Apuntes
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Los transformadores son un elemento clave en el desarrollo de la industria eléctrica. Gracias a ellos se pudo realizar, de una manera práctica y económica, el transporte de energía eléctrica a grandes distancias. Un transformador eléctrico es una máquina estática de corriente alterna 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.
Los transformadores están compuestos por diferentes elementos entre los que destacan como principales el núcleo y los devanadores. El núcleo de los transformadores está formado por chapas de acero al silicio aisladas entre ellas. Están compuestos por dos partes principales: 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. Por su parte el devanado es un hilo de cobre enrollado a través del núcleo en uno de sus extremos y recubierto 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 devanado primario y el secundario indicará la relación de transformación. El nombre de Imagen 1.-Ilustracion de un núcleo Imagen 2.-Ilustracion de los devanados, tanto primario como secundario
primario y secundario es algo simbólico: por definición allá donde apliquemos la tensión de entrada será el primario y donde obtengamos la tensión de salida será el secundario. Funcionamiento de los transformadores eléctricos 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, la corriente debe ser alterna para que se produzca esta variación de flujo. El transformador no puede utilizarse con corriente continua. La relación de transformación del transformador la definimos con la siguiente ecuación: Np / Ns = Vp / Vs = Is / Ip = rt Donde (Np) es el número de vueltas del devanado del primario, (Ns) el número de vueltas del secundario, (Vp) la tensión aplicada en el primario, (Vs) la obtenida en el secundario, (Is) la intensidad que llega al primario, (Ip) la generada por el secundario y (rt) la relación de transformación. Como se observa en este ejemplo, si queremos ampliar la tensión en el secundario tenemos que poner más vueltas en el secundario (Ns), pasa lo contrario si queremos reducir la tensión del secundario. Esta tensión de entrada (Vp) únicamente recorre un determinado número de espiras (Np), mientras que la tensión de salida (Vs tiene que recorrer la totalidad de las espiras (Ns). Imagen 3.- Esquema básico de funcionamiento de un transformador ideal
● Tanque principal El tanque principal en el caso de los transformadores de potencia, es indispensable su utilización para poder contener tanto sus elementos internos como externos, además es parte importante para disipar el calor producido durante su operación. ● Radiador Un radiador es un dispositivo que se utiliza para disipar el calor generado por un objeto. En el contexto de los transformadores, el radiador es un componente clave que ayuda a mantener la temperatura del transformador dentro de los límites aceptables. Figura 1 : Tanque principal de un transformador Figura 2 : Radiadores de los transformadores
● Relé de protección Un relé protección de transformador es un dispositivo de protección concebido para medir digitalmente las variables eléctricas y físicas de transformadores en resina (tipo seco). Las variables pueden ser corrientes, armónicos y temperaturas que son cruciales para la integridad mecánica del transformador. ● Tanque conservador El tanque conservador de transformador es una de las partes más importantes de un transformador de potencia. Este tanque está diseñado para almacenar aceite aislante que se utiliza para enfriar y aislar las partes internas del transformador. El aceite aislante es esencial para el correcto funcionamiento del transformador, ya que ayuda a disipar el calor generado por las corrientes eléctricas y a proteger las partes internas del transformador de la oxidación y la corrosión. Figura 3 : Relé de protección Figura 4 : Tanque conservador de un transformador
● Válvula de derivación Los cambiadores de derivación para operar sin tensión es un dispositivo que se acciona desde el exterior del transformador, sumergido en líquido refrigerante que permite seleccionar la derivación de un devanado cuando el transformador está sin corriente y des energizado. Se fabrican de dos tipos Monofásicos y Trifásicos. ● Relé de Buchholz Un relé Buchholz es un dispositivo de seguridad que se monta en algunos transformadores en baño de aceite que van equipados con un depósito externo de expansión en su parte superior. El relé Buchholz se usa como dispositivo de protección contra fallos del dieléctrico en el interior del equipo. TIPOS DE TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS Aunque basados en los mismos principios básicos, se diferencian varios tipos de transformadores que se clasifican en dos grandes grupos: 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. Su funcionamiento se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética. Un transformador de potencial se define como un transformador de instrumento usado para la transformación de voltaje, de un valor mayor a uno menor. Este
reduce el voltaje a un límite seguro, el cual puede ser fácilmente medido por un dispositivo ordinario de bajo voltaje, como un voltímetro. Este se conecta a través o paralelamente a la línea, la cual se mide para registrar errores de relación o de ángulo. El transformador está diseñado para monitorear los voltajes de cambio monofásicos y los terminales trifásicos. Tiene un devanado principal, y también uno primario y otro más secundario de alto voltaje. Este tipo especial de transformador permite que un medidor tome lecturas de conexiones de servicio eléctrico con una clasificación de voltaje (potencial) más alta que la que el medidor normalmente es capaz de manejar cuando hablamos de factor de potencia, y sin errores. ● 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 a las del devanado primario. Un transformador elevador aumenta la tensión de entrada y la entrega a la carga, y un transformador reductor disminuye la tensión de entrada en la carga. La alta tensión es necesaria para una transmisión eficaz de la energía, pero los consumidores deben utilizarla a una tensión más baja por razones de seguridad. La transición de baja tensión a alta para la transmisión requiere un transformador elevador. En algunos países, los transformadores elevadores tienen un valor incalculable. Por ejemplo, el nivel de generación eléctrica en India es de 11 kv, por lo que se necesitan transformadores elevadores en las centrales. En resumen, un transformador elevador eleva la tensión con fines de transmisión. Imagen 3.- Ejemplificación de un transformador de potencia Imagen 4.- Esquema grafico de un transformador elevador.
⮚ Ventajas del transformador elevador o Fácil mantenimiento o Alta eficacia o Inicio rápido o Transmisor de potencia ⮚ Desventajas del transformador elevador o Requiere un sistema de refrigeración o Sólo funciona con señales de corriente alterna (CA) o Enorme tamaño Aplicaciones de los transformadores elevadores o Los transformadores elevadores con bobinados primarios de hilo de cobre grueso aislado que elevan la tensión a 11.000 voltios o más son necesarios para usuarios con requisitos de potencia especiales, como el funcionamiento de máquinas de rayos X, microondas y aplicaciones de centrales eléctricas. o Los transformadores elevadores se utilizan para distribuir energía eléctrica en líneas de transmisión de alta potencia. o Estos transformadores se utilizan para potenciar dispositivos electrónicos. ● 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. Cualquier transformador elevador puede actuar como reductor, si lo conectamos al revés, del mismo modo que un transformador reductor puede convertirse en elevador. Los transformadores reductores convierten la energía de alta tensión en energía de baja tensión. Esto hace que el nivel de potencia se adapte a las necesidades de cada aparato conectado Imagen 5.- Esquema grafico de un transformador reductor.
a los sistemas de alimentación en hogares o empresas. Los circuitos de alimentación de las viviendas llevan 230 V - 110 V, pero algunas prestaciones requieren tan sólo 16 V. Por eso se necesitan transformadores reductores para reducir la tensión al nivel de potencia más bajo. Principio de funcionamiento del transformador reductor. Un transformador reductor disminuye la tensión en los devanados secundarios en relación con el lado primario. A partir de la ecuación de transformación de la tensión, para que V2 sea menor que V1, el valor de N2 debe ser menor que N1. Por lo tanto, en un transformador reductor. ● N2 < N ● V2 < V ● I2 > I Un transformador reductor siempre aumenta la corriente (a la vez que disminuye la tensión) en el secundario con respecto a la del primario. En un transformador reductor, el lado secundario transporta más corriente, por lo que se utiliza hilo de cobre aislado grueso para el devanado secundario y hilo de cobre aislado fino para el lado primario. Los transformadores reductores se utilizan habitualmente en transformadores de baja tensión para aplicaciones de iluminación paisajística. Ejemplo: Si a un transformador 100:1 se le aplican 10 V en el devanado primario, ● N1 = 100 ● N2 = 1 ● V1 = 10V ● Por lo tanto, V2 = (N2 / N1) ✕ V1 = 0,1V.
Esta tensión de entrada (Vp) únicamente recorre un determinado número de espiras (Np), mientras que la tensión de salida (Vs) tiene que recorrer la totalidad de las espiras (Ns). Un autotransformador es una máquina eléctrica de construcción y características similares a las de un transformador, pero que, a diferencia de este, solo posee un devanado único alrededor de un núcleo ferromagnético. Dicho devanado debe tener al menos tres puntos de conexión eléctrica; la fuente de tensión y la carga se conectan a dos de las tomas, mientras que una toma (la del extremo del devanado) es una conexión común a ambos circuitos eléctricos (fuente y carga). Cada toma corresponde a una tensión diferente de la fuente (o de la carga, dependiendo del caso). ● Transformadores eléctricos de medida Sirven para variar los valores de grandes tensiones o intensidades para poder medir sin peligro. Los transformadores de medida son necesarios para hacer comprensibles para medidores electrónicos las magnitudes físicas. Los transformadores de medida son aquellas partes de una cadena de medición que transforman una magnitud física en una señal eléctrica. Normalmente, estas magnitudes, como por ejemplo, presión, humedad del aire, temperatura, presión sonora o luz, se convierten mediante los transformadores de medida en una señal normalizada analógica (p.e. 0…10 V). Las ventajas de la transformación son por un lado la flexibilidad, ya que muchos medidores soportan la transformación de señales normalizadas. ● Transformadores eléctricos 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 Imagen 5.- Ilustración de un autotransformador. Imagen 7.- Ilustración de un transformador de medida.
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. Los transformadores de intensidad están diseñados para reducir la intensidad a valores manejables y proporcionales a la primaria original. Separa del circuito de alta tensión los instrumentos de medida, contadores, relés, etc. Algunas de sus características: ● Entrada de corriente a diferentes tipos de relés de protección. ● Ideal para la instalación en puntos de medición por su gran precisión. ● Excelente respuesta frecuencial, ideal para la monitorización de la calidad de onda y la medición de armónicos. ● Aptos para la instalación en los filtros AC en subestaciones convertidoras para proyectos de HVDC (corriente continua de alta tensión). ● Transformador eléctrico potencial Se trata de una máquina con un devanado 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. Se trata de un instrumento para la transformación de un voltaje de alto valor a uno inferior, con la finalidad de llevarlo a un límite considerado seguro. El transformador tiene un enrollado primario que va conectado en paralelo con el circuito de potencia y uno secundario que se conecta a los distintos aparatos de protección. Se emplea para circuitos Imagen 9.- Ilustración de un transformador eléctrico de potencial en una subestación.
