Tema 2. Clasificación y Constitución

Máquinas Eléctricas BLOQUE II: TRANSFORMADORES Tema 2: Clasificación y constitución.

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BLOQUE II: TRANSFORMADOR TEMA 2: CLASIFICACIÓN Y CONSTITUCIÓN.

1.- Definición y aplicación del transformador. El transformador eléctrico es una máquina estática que transforma, elevando o

reduciendo, los valores de la tensión (U) y de la intensidad (I) de entrada de una potencia dada (S), y devuelve en la salida unos valores distintos. Todo ello ocurre sin que se modifique la frecuencia de las magnitudes aplicadas.

El transformador, al igual que eleva la tensión, también la reduce, y es, por tanto, una máquina reversible. Un mismo transformador puede ser elevador o reductor.

La transformación tiene lugar sin ningún tipo de movimiento mecánico y casi sin pérdida de rendimiento: esto hace del transformador una máquina de gran utilidad y rentabilidad.

Por su función, los transformadores pueden utilizarse en transporte de energía, en

medidas eléctricas, en seguridad de instalaciones, en aparatos de medicina, en juguetes, etc. Los transformadores de gran potencia se emplean como elemento para elevar altas

tensiones y poder así transportar la energía eléctrica la elevación de la tensión hace reducir la sección de los conductores, facilitando el transporte y mejorando costes.

2.- Constitución de los transformadores.

El transformador consta de dos partes principales; núcleo y arrollamientos y además dispondrá de otros elementos si lo precisa, como pueden ser, el sistema de refrigeración y aisladores pasantes.

2.1.- Núcleo. Se denomina núcleo del transformador al sistema que forma su circuito magnético. Está

constituido por chapas al silicio, laminadas en frío, y que se han sometido a un tratamiento químico denominado carlita que las recubre de una capa aislante muy delgada.

El circuito magnético está constituido por columnas, (partes donde se montan los devanados) y las culatas, (partes que realizan la unión entre columnas). Los espacios resultantes entre las columnas y las culatas, se llaman ventanas.

Según sea la posición relativa entre el núcleo y los devanados, los transformadores podemos clasificarlos en acorazados (a) o en columnas (b).


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2.2.- Devanados. Constituyen el circuito eléctrico del transformador; se realizan por medio de

conductores de cobre, en forma de hilos redondos o de sección rectangular cuando se requieren secciones mayores. Los conductores están cubiertos por una capa aislante, que suele ser de barniz en los pequeños transformadores y que en el caso de pletinas está formados por una o varias capas de cinta de papel.

Según la disposición relativa de los arrollamientos de A.T y de B.T los devanados pueden ser concéntricos o alternados. En los devanados concéntricos, los bobinados tienen forma de cilindros coaxiales; generalmente se coloca más cerca de la columna el arrollamiento de B.T; ya que es más fácil de aislar que el devanado de A.T, entre ambos bobinados se intercala un cilindro aislante de papel baquelizado.

En los devanados alternados, los arrollamientos se subdividen en secciones o galletas de tal forma que las partes de los devanados de A.T y B.T se suceden alternativamente a lo largo de toda la columna.

2.3.-Sistemas de refrigeración.

s


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Desde el punto de vista de la refrigeración se pueden clasificar los transformadores en los siguientes grupos:

Secos: La refrigeración se produce de modo natural al estar en contacto con el medio ambiente.

En baño de aceite aislante: La refrigeración se produce introduciendo el transformador

en una cuba llena de aceite. El calor generado en el transformador es trasferido al aceite y de éste al exterior.

Podemos encontrar dentro de este grupo los de baño de aceite con ventilación forzada y los de baño de pyralelo.

2.4.-Aisladores o pasatapas. Las bornas de los transformadores de media tensión se llevan al exterior de la cuba

mediante unos aisladores de porcelana, rellenos de aire o aceite.

3.- Principio de funcionamiento de un transformador. Un transformador como ya hemos visto anteriormente, consta de dos circuitos eléctricos

(Devanados) y un circuito magnéticos (Núcleo). Ambos circuitos aislados eléctricamente, se acoplan mediante el circuito magnético, de tal forma que la influencia de un circuito sobre el otro, lo hace a través de un flujo magnético, siendo por tanto la ley de inducción de Faraday el fundamento básico del funcionamiento de un transformador.

Ley de Faraday: El valor de la fuerza electromotriz inducida en una espira es debida a la velocidad de variación del flujo magnético a través de la superficie delimitada por dicha espira.

Partiendo de la figura siguiente, dispondremos de dos bobinas 1 y 2, acopladas magnéticamente. El flujo variable producido por la espira 1, al ser atravesado por una

Aisladores


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corriente eléctrica también variable, induce sobre la espira 2 una fuerza electromotriz que hará que circule una corriente por la espira 2, cuando este el circuito cerrado.

Con el fin de que este efecto de inducción sea grande, se deberá de disponer las espiras

de tal forma que el flujo magnético se concentre lo más posible en las dos bobinas. Esto se consigue, por ejemplo, con la disposición habitual de un transformador.

Es importante puntualizar que un transformador sólo se puede utilizar en corriente

alterna, porque su principio de funcionamiento se basa en los fenómenos de inducción y autoinducción electromagnética, y sólo hay inducción si existe una variación de flujo. En este caso, la variación de flujo se obtiene por las características propias de la corriente alterna.

En el dibujo de la figura, es posible apreciar que el bobinado primario se encuentra conectado a la red eléctrica alterna (∼), mientras que el secundario está conectado a una carga. Parte del flujo magnético (φ) creado por la corriente de la bobina primaria se cierra a través del aire, es decir, que se pierde parte del flujo por la dispersión del mismo. Éste se denomina flujo de dispersión (φd1- φd2).

El flujo magnético es el número total de líneas de fuerza que existen en un circuito magnético y se representa por la letra griega «φ», que se lee «fi»y su unidad es el weber (Wb).

4.- Relaciones eléctricas fundamentales de un transformador.

4.1.- Relación de espiras. Un principio fundamental en el funcionamiento ideal de un transformador es que,

cuando el devanado secundario es conectado a la carga, los devanados primario y secundario producen el mismo número de amperios-espiras:

2211 ININ ⋅=⋅

ε


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En la práctica, el devanado primario tiene que producir un número ligeramente mayor de amperios-espiras que el devanado secundario, ya que no sólo provee la energía absorbida por el devanado secundario, sino que también transporta la corriente de magnetización.

Se define la corriente de magnetización como aquella corriente necesaria para mantener el campo magnético del transformador para poder inducir una tensión en el secundario.

2

1

1

2

II

NNespiras de laciónRe ==

4.2.- Ecuación general del transformador. La relación que existente entre la tensión del primario (E1) y la tensión del secundario

(E2) es igual a la relación entre el número de espiras del primario (N1) y el número de espiras del secundario (N2).

En consecuencia, podemos decir que:2

1

2

1

NN

EE

=

5.- Transformador trifásico. El sistema de producción y transporte de energía eléctrica

se realiza mediante un sistema eléctrico trifásico; esto permite la utilización de transformadores trifásicos para su transporte y distribución.

Un transformador trifásico se consigue mediante el montaje de tres transformadores monofásicos conectados cada unos a una fase de la red trifásica equilibrada. Los fundamentos electromagnéticos son los mismos que los de un transformador monofásico.

La disposición más correcta desde el punto de vista de equilibrio de flujos magnéticos

es la de tres columnas unidas en estrella. Aunque la disposición real de los devanados es lineal, presentando un pequeño

desequilibrio magnético en la columna central, considerándose este despreciable.

Bobinados primarios: N1U, N1V y N1W. Bobinados secundario: N2U, N2V y N2W


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5.1.- Conexiones y relaciones de transformación trifásicas. En cada caso hay que tener en cuenta el tipo de conexión y la relación entre las

tensiones simples y las compuestas. Tensión simple: Es cuando conectamos un voltímetro entre fase y el neutro. Tensión compuesta: Es cuando conectamos un voltímetro entre dos fases.

Conexión estrella-estrella (Υ-Υ) Los devanados primario y secundario se unen los finales o los principios tal como se indican en las figura.

Conexión triangulo-triangulo(∆-∆)

Conexión triángulo-estrella (∆-Υ)

La relación de transformación compuesta (mc) es el cociente entre las tensiones de la línea del primario y el secundario en vacio:

2

1

2

1

UV2

UV1c N

NE3E3

VV

m =⋅⋅

==

Este tipo de conexión presentan dos inconvenientes: − Si la carga es desequilibrada, se produciran desequilibrios en

las tensiones simples con desplazamiento del neutro. − Existen terceros armonicos de tensión. En la práctica se utiliza muy poco este tipo de conexión, ya que puede

lograrse iguales prestaciones con otro tipo de transformador trifásico.


2

1

2

1

2

1

NN

EE

VV

mUV

UVc ===

Esta conexión se utiliza en transformadores de B.T. Se comporta bien frente a cargas desequilibradas. La ausencia de neutro puede ser a veces una desventaja


2

1

2

1

UV2

UV1c N3

NE3

EVVm

⋅=

⋅==

Esta conexión es muy utilizada en los transformadores de distribución, correspondiendole la estrella al lado de baja tensión, que permite de este modo alimentar cargas trifásicas y cargas monofásicas.

Estando el primario en triángulo tiende a compensar los desequilibrios producidos por las cargas monofásicas.

E1

E2

E1

E2

E1

E2


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Conexión estrella-triangulo(Υ-∆)

Conexión estrella-Zig-Zag(Υ-Z)

Dependiendo de la forma en la que se efectúen las conexiones, en el primario y secundario y el sentido de sucesión de fases de la red se pueden obtener en el transformador:


2

1

2

1

UV2

UV1c N

N3E

E3VV

m ⋅=

⋅==

Esta conexión es muy utilizada en los transformadores de alta tensión en el extremo de redución de tensión.


212 eeE += . Son vectores (raya superior ) y no pueden sumarse directamente. 312 ⋅= eE

2

1

1

1

2

1

32

33

NN

eE

VV

mUV

UVc

⋅

⋅=

⋅==

La conexión zig-zag se emplea únicamente en el lado de B.T. Este montaje se utiliza en redes de distribución ya que se permite el uso del neutro en el secundario. Se comporta bien frente a desequilibrios de cargas.

E1

e2

E1

E2

e1


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