UNIDAD 4 TRANSFORMADORES 4.1 Definición fundamental de un transformador. Para Chapman; “Un transformador es un dispositivo que cambia potencia eléctrica alterna de un nivel de voltaje a potencia eléctrica alterna a otro voltaje mediante la acción de un campo magnético”. Según Enriquez Harper; “El transformador es un dispositivo que transfiere energía eléctrica de un circuito a otro conservando la frecuencia constante, lo hace bajo el principio de inducción electromagnética, tiene circuitos eléctricos que están eslabonados magnéticamente y aislados eléctricamente, usualmente lo hace con un cambio de voltaje, aunque esto no es necesario ”. “Un dispositivo eléctrico consistente de uno, dos, o más devanados, con o sin núcleo magnético y con acoplamiento magnético entre los circuitos eléctricos. Los transformadores son ampliamente utilizados sistemas eléctricos de potencia para transferir energía por inducción electromagnética entre circuitos que tienen la misma frecuencia y usualmente con cambios en los valores de voltaje y corriente” 4.1.1 Principio de funcionamiento. El transformador basa su principio de operación en la ley de inducción electromagnética de Faraday, es decir se basa en la operación mutua de fenómenos eléctricos y magnéticos, no contiene partes móviles y su fem3 se induce por la variación del flujo magnético. En el análisis de transformadores se utilizan algunos términos que resulta de gran importancia distinguirlos para su mejor utilización, en seguida se indican algunos de estos términos. Primario: Se refiere al lado del transformador que recibe la energía para su excitación, pudiendo ser el lado de baja tensión o de alta tensión. Secundario: Se refiere al lado donde se induce la fem, pudiendo ser el lado de baja tensión o de alta tensión. Alta Tensión: Es el devanado de mayor tensión del transformador, pudiendo ser el primario en caso de un transformador reductor o el secundario en caso de un transformador elevador. Baja Tensión: Es el devanado de menor tensión del transformador, pudiendo ser el primario en caso de un transformador elevador o el secundario en caso de un transformador reductor.
4.1.1 Construcción del transformador. Las partes principales que componen un transformador son las siguientes: 1. Núcleo. 2. Devanados primario y secundario. 3. Sistema de enfriamiento y aislamiento. 4. Tanque. 5. Accesorios. El circuito magnético o núcleo tiene como función conducir el flujo magnético generado del transformador, además de concatenar a magnéticamente los circuitos eléctricos del primario y secundario. Está formado por nominaciones de acero al alto silicio de grano orientado y pérdidas bajas, además de una alta permeabilidad magnética. El devanado primario y secundario componen los circuitos eléctricos del transformador su función es crear un campo magnético para inducir una
fuerza electromotriz en el secundario y transferir potencia eléctrica del primario y secundario de acuerdo con la ley de inducción electromagnética de Faraday. El sistema de enfriamiento y aislamiento lo conforman materiales aislantes diversos como por ejemplo: cartón prensado, papel kraft, esmaltes, barnices y el propio aceite aislante o dieléctrico. 4.2 Análisis de un transformador ideal En la forma más sencilla la teoría del transformador se supone que: 1. La curva B-H del material del núcleo es lineal y de un solo valor. La permeabilidad del núcleo es muy grande. Lo anterior provoca que con una fuerza magnetomotriz despreciablese consigue el flujo necesario. 2. Se desprecia la pérdida en el núcleo. 3. Los flujos establecidos por las corrientes en los embobinados son encerrados enteramente en el núcleo. En otras palabras, el acoplamiento magnético de los dos embobinados es perfecto. Todo el flujo establecido por una bobina enlaza al de la otra y viceversa. 4. Son despreciables las resistencias de los embobinados. 5. Son despreciables la capacitancia entre los embobinados aislados y el núcleo, así como entre las vueltas y entre los embobinados. 4.2.2 Transformador no ideal de núcleo lineal.
Comparado con el ideal, este transformador tiene las siguientes imperfecciones: 1. La curva B-H del núcleo es todavía lineal pero la permeabilidad del material es finita, por lo tanto la f.m.m. no es cero. 2. Los flujos establecidos por las corrientes en los embobinados no son confinados enteramente al núcleo. El enlazamiento del flujo total en cada devanado no es el mismo. 3. Los embobinados tienen resistencia. 4. En transformadores a muy altas frecuencias, en el rango de radio frec uencias, los efectos de capacitancia no son despreciables. En la figura 4.4 se aprecia el circuito equivalente de un transformador no ideal con núcleo lineal, ahí podemos identificar la resistencia de los devanados R 1 y R 2, así como el voltaje inducido en cada uno de los devanados. 4.3 Estudio de la transferencia máxima de potencia por los dispositivos igualadores de impedancia. Como sabemos la eficiencia de una máquina es la razón que hay entre la potencia de salida y la potencia de entrada de la misma. En un transformador real la eficiencia siempre será menor al 100% debido a las pérdidas internas que se presentan en la máquina y que obedecen principalmente a: Pérdidas en el cobre. Pérdidas por corrientes parásitas. Pérdidas por histéresis. Pérdidas por flujos de dispersión. Algunos autores clasifican estas pérdidas en dos grandes grupos que son pérdidas magnéticas y pérdidas en el cobre. Las tareas magnéticas ocurren en el núcleo y son las pérdidas por corriente parásita y por histéresis. La pérdida por corriente parásita se puede reducir si se utiliza en la construcción del transformador laminaciones muy finas. Las pérdidas por histéresis dependen en cambio del tipo de acero con el cual fue construido el núcleo. Estas pérdidas están definidas para cada transformador que se fabrica y se consideran constantes o fijas para un transformador dado. Las pérdidas en el cobre conocidas también como pérdidas de potencia eléctrica están determinadas por los devanados primario y secundario, y varían con el cuadrado de la corriente en cada devanado. La potencia de salida del transformador se obtiene restando de la potencia de entrada las pérdidas en el núcleo y las pérdidas en el cobre. Cuando se opera un transformador de potencia en vacío la eficiencia de la máquina es igual a cero y se incrementa como un elemento de carga hasta alcanzar un valor máximo, cualquier incremento adicional en la carga dará como
resultado que la eficiencia el transformador disminuya por lo tanto existe una carga definida que supone un eficiencia máxima del transformador en donde la potencia de entrada respecto a la potencia de salida presentan sus menores pérdidas [5]- [10]. Esta situación ocurre cuando las pérdidas magnéticas del núcleo son iguales a las pérdidas de potencia eléctrica en los devanados, esto es:
4.4 Estudio para la obtención del circuito equivalente del transformador con núcleo de hierro. En el apartado 4.2 se analizó el transformador ideal, donde se suponía que no se presentan pérdidas en la máquina, en un transformador real como se indicó en el apartado anterior se presentan diferentes tipos de pérdidas que provocan que la potencia de entrada en la máquina sea diferente a la potencia de salida conociéndose a esta razón como eficiencia del transformador. También vimos que las pérdidas se producen en el cobre, por corrientes parásitas, por histéresis y debido a los flujos de dispersión. Entonces, el transformador real la permeabilidad del núcleo del transformador es finita, se considera la resistencia de los devanados así como la resistencia del núcleo al paso de flujo magnético a través de él. Todos estos elementos deben ser considerados al modelar el circuito equivalente para un transformador real con núcleo de hierro. En la figura 4.12 se muestra el cieruito equivalente para un transformador real, en donde se puede apreciar los elementos que modelan las pérdidas principales en el transformador. Así, las resistencias R1 y R2 nos permitirán determinar las pérdidas y los devanados también conocidas como pérdidas en el cobre; las reactancias jX1 y jX2 nos permitirán determinar las pérdidas debido a los flujos de dispersión; las pérdidas en el núcleo y las pérdidas por magnetización se representan por la resistencia Rc y jXm respectivamente que se observa en la rama en derivación del circuito de la figura 4.12.
4.5 Análisis para la regulación de voltaje con cargas en factor de potencia. La regulación de tensión en un transformador no es muy diferente en una máquina síncrona, la carga suministrada en el secundario provocará que el voltaje en esas terminales se altere debido a las caídas de tensión a través de las resistencias de los devanados del transformador y también de las reactancias de dispersión. La regulación de tensión es una razón entre el voltaje en vacío o sin carga hasta el voltaje a plena carga del transformador con un mismo voltaje de excitación en el devanado primario. Una regulación de voltaje igual a cero sería lo ideal para un transformador, de tal forma que cuando un transformador presenta una regulación de tensión pequeña es cuando mejor opera. La regulación de tensión expresa de la siguiente manera:
4.5.1 Regulación de voltaje con factor de potencia unitario. La regulación de tensión está en función del tipo de carga conectada en el secundario del transformador, para cargas cien por ciento resistivas, se obtiene un factor potencia unitario, el diagrama fasorial es el que se indica en la figura 4.19.
4.5.2 Regulación de voltaje con factor de potencia en atraso. Una carga inductiva conectada al secundario del transformador dará como resultado un factor de potencia negativo o en atraso, la figura 4.20 muestra diagrama Fasorial para este tipo de carga.
4.5.3 Regulación de voltaje con factor de potencia en adelanto. En cambio cuando la carga con el tal transformador es capacitivo, se obtiene un factor de potencia positivo o en adelanto, como sabemos este tipo de carga, no es común en los sistemas eléctricos industriales y únicamente se tiene o no se conectan capacitores o motores sincronos con el propósito de mejorar el factor de potencia del sistema. En la figura 4.21 se aprecia el diagrama fasorial para este tipo de carga.
4.6 Cálculo de la eficiencia del transformador con carga a factor de potencia. Como se indicó en el apartado 4.3 la eficiencia del transformador es otra cosa más que la relación entre la potencia de salida y la potencia entrada de la máquina expresada por ciento. En el caso de las compañías suministradoras de energía eléctrica la eficiencia de los transformadores es muy importante debido a que las pérdidas que se presenten en la máquina significan ingresos perdidos. También como se describió anteriormente, las pérdidas en un transformador serán principalmente debido a la resistencia de los devanados en el circuito primario y secundario y debido a la resistencia del núcleo ferromagnético le permite enlazar los devanados del circuito primario y secundario. La expresión que permite determinar la eficiencia un transformador es:
o bien por la siguiente otra expresión:
4.7 Estudio de autotransformadores monofásicos. El auto transformador es un dispositivo eléctrico estático, muchos lo definen como un transformador de tipo especial, hace común de parte de un devanado para ambos, es decir primario y secundario, tiene una derivación que es necesaria para operación. 4.7.1 Principio de operación El principio de funcionamiento en auto transformador, no es diferente al del transformador convencional ya que se rige por las mismas consideraciones fundamentales vistas para los transformadores de devanados separados, donde un conductor de primario y otro secundario se conectan entre sí, de manera que ambos devanados quedan conectados en serie. En la figura 4.23 se observa un
transformador convencional y en la figura 4.24 se aprecia cómo quedaría conectado este transformador como un auto transformador tipo reductor.
4.7.2 ventajas y desventajas del autotransformador respecto al transformador convencional a) Un autotransformador es más barato que un transformador de dos en dominados de la misma capacidad e igual relación de transformación. b) El ahorro es significativo sólo cuando la relación de tensión no es muy diferente de la unidad. c) El ahorro obtenido se sacrifica hasta cierto punto por la seguridad del personal, por el hecho de que un autotransformador no hay aislamiento eléctrico entre la fuente y la carga (primario y secundario). d) La salida de un transformador de dos devanados se puede incrementar al conectarse como autotransformador. Haciendo esto se cambia la relación de voltaje. e) Un autotransformador ofrece mejor regulación, peso y tamaño reducido por kVA, rendimiento alto y corriente de magnetización menor. f) Una desventaja adicional del autotransformador la constituye su impedancia interna. La menor impedancia del autotransformador comparada con la correspondiente a un transformador convencional de dos devanados, puede ser un problema serio en algunas aplicaciones en que se requiere que la impedancia serie limite la corriente de cortocircuito el sistema de potencia. 4.8.1 Conexiones trifásicas de transformadores. En la figura 4.26 se pueden observar las conexiones más comunes que pueden conformarse con un banco de trasformadores monofásicos o bien directamente con trasformadores trifásicos. Conexión estrella-delta En la figura 4.26a se aprecia una conexión trifásica estrella-delta, este tipo de conexión se utiliza generalmente como se desea reducir de alta a media o baja tensión, teniendo la posibilidad de tener un hilo puesto tierra en el lago de alta tensión. Se recomienda no utilizar esta conexión, se tienen cargas desequilibradas en las fases. Conexión delta-estrella. En la figura 4.26b se observa una conexión delta-estrella, esa conexión es utilizada por lo general para la elevación de tensión. Conexión delta-delta. En la figura 4.26c se observa una conexión delta-delta, esa conexión tiene la ventaja de que en caso de emergencia pudiera eliminarse un transformador ya sea por avería o para su mantenimiento mientras los otros los transformadores monofásico los seguirían funcionando como un grupo trifásico con la única limitante de la reducción de potencia a un 58% de la del grupo completo, a esta conexión suele llamarse la conexión delta abierta o conexión en V. Conexión estrella-estrella. En la figura 4.26d, se aprecia una conexión estrella-estrella, esta conexión se utiliza muy raramente debido a los problemas relacionados con las corrientes de excitación.
4.9 Conexión de transformadores monofásicos en arreglos de autotransformadores trifásicos. 4.9.1 Conexión en estrella. Se observa la conexión de tres autotransformadores monofásico en estrella, como se aprecia en la figura la conexión es muy parecida a cuando se tienen tres transformadores monofásicos convencionales. Esta es la conexión que se utiliza con mayor frecuencia. 4.9.2 Conexión en delta. Se aprecia la conexión de tres trasformadores monofásico convencionales como autotransformador en conexión delta. Una de las limitantes de esta conexión es que los ángulos de las tensiones de línea de los secundarios no concuerdan con las tensiones de línea de los primarios. Y la mayor relación de transformación que se recomienda es de 2:1. 4.9.2 Conexión en delta abierta. A diferencia de la conexión anterior, uso no está restringido a una relación de transformación inferior a 2:1, y si se consideran despreciables las caídas de voltaje las tensiones de línea del primario y secundario estarían en concordancia de fase. Otra limitación radica en que la potencia total que se tendría una conexión delta se ve disminuida a un 86. 6%. 4.10 Relaciones de transformaciones. Existen algunas conexiones de tipo especial para los trasformadores monofásico estas conexiones son las denominadas conexión delta abierta, la conexión T y la conexión Scott. 4.10.1 Delta abierta. La conexión delta abierta Delta abierta no es una conexión común en transformadores eléctricos, sin embargo, cuando se tiene un banco trifásico conectado en delta y formado por transformadores monofásicos, y por algunas circunstancias se daña el primario o secundario de uno de los trasformadores, se podrá continuar entregando potencia trifásica sin ninguna variación en el voltaje trifásico debido a que los dos tranformaron monofásicos quedarán conectadas en serie formando una delta abierta. 4.10.2 Conexión T-T (Scott.) La conexiones Scott también conocida como conexión T, fue ideada por F. C. Scott y es utilizada en situaciones especiales cuando se requiere la transformación de potencia de un sistema trifásico a uno bifásico.
