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UNIVERSIDADNACIONALEXPERIMENTALDELTACHIRA
DEPARTAMENTODEINGENIERIA ELECTRONICA
TECNOLOGIAELECTRICA
ING.EMILIOBELANDRIA
UNIDAD I: TRANSFORMADORES
1.- EL TRANSFORMADOR MONOFASICO.
1.1.- DEFINICIÓN:
El transformador es un maquina eléctrica capaz de recibir un voltaje por un devanado y elevarlo o disminuirlo e inducirlo al otro devanado, gráficamente se puede representar de la siguiente manera:
Figura 1.- Simbología del transformador, notación Americana. Cuando dos bobinas de alambre son acopladas inductivamente, el flujo magnético pasa a través de una y entonces también pasa total o parcialmente a través de la otra.
Figura 2.- Transformador ideal con núcleo de hierro. Si el flujo lo crea una corriente variante en el tiempo, el flujo mutuo cambiara, creándose un voltaje inducido en la segunda bobina. Este voltaje inducido se le llama voltaje transformado y a este hecho acción transformadora.
La unidad receptora de energía se denomina primario y la que entrega energía a una carga, se llama secundario, debido a que el transformador funciona de forma reversible es más conveniente indicar los lados del transformador en términos de alta y baja tensión, coincidiendo con los lados de mayor y menor numero de espiras respectivamente. La relación entre los voltajes eficaces de alta y baja tensión de transformador, se conoce con el nombre de relación de transformación del transformador:
E
a E
2
=^1
1.2.- CARACTERÍSTICA DEL TRANSFORMADOR:
- Es una maquina estática, no tiene elementos móviles.
- Transfiere energía eléctrica de un circuito a otro sin cambio de frecuencia.
- Lo hace bajo el principio de inducción electromagnética.
- Tiene circuitos eléctricos entre si, que son enlazados por un circuito magnético común.
- Mantenimiento económico.
- No tiene perdidas mecánicas.
1.3.- CONSTRUCCIÓN DEL TRANSFORMADOR:
Las principales partes de un transformador son:
- Núcleo magnético: Transfiere la energía de un devanado a otro, conduce el flujo magnético activo. Se construye de láminas de acero.
- Bobinas o devanados : Constituyen los circuitos de alimentación y carga. De una, dos o tres fases. En general son dos bobinas, una del lado primario y otra del lado secundario. Se construyen de alambre delgado, grueso o barra, de cobre aislado, las espiras se encuentran aisladas del núcleo utilizando material como algodón, papel, barniz o aceite. Crean un campo magnético y utilizan el flujo para inducir una FMM.
Perdidas por Corrientes parásitas o de Foucoult: Un flujo variable en el tiempo induce voltajes dentro del núcleo, estos voltajes originan remolinos de corriente que fluyen dentro del núcleo.
Todas estas perdidas son denominadas perdidas en el Hierro o en el núcleo, siempre serán constantes y no dependerán de la carga que alimenta el Transformador.
La corriente de perdidas en el núcleo Ih+p es proporcional al voltaje aplicado y esta en fase con este, razón por la cual es posible representarla por una resistencia Ro entre los terminales de la fuente primaria. Las perdidas en el núcleo son iguales a la potencia disipada en la resistencia ficticia Ro.
La corriente que establece el flujo magnético IM, llamada corriente de magnetización, es proporcional (en la región no saturada) al voltaje aplicado y se atrasa 90° de este; por lo tanto, puede representarse por una reactancia XM conectada entre los terminales de la fuente de alimentación en paralelo con la resistencia Ro.
La reactancia XM, además representa la potencia reactiva QM, que consume el transformador. La corriente que circula por el devanado primario se llama Corriente de vació Io, la cual es aproximadamente 1% a 2% la corriente nominal en transformadores grandes y de 6% la corriente nominal en transformadores de distribución pequeños.
El modelo del circuito equivalente del transformador que toma en cuenta las perdidas en el núcleo se representa de la siguiente manera:
Figura 5.- Circuito equivalente que representa las perdidas en el núcleo.
Donde: IO = Corriente de Vació. Ih+p = Componente de corriente de perdidas en el núcleo (histéresis + corrientes parásitas). IM = Componente de magnetización. XM = Reactancia de magnetización. RO = Resistencia que toma en cuenta las perdidas en el núcleo. Vp = Voltaje aplicado en el devanado primario. El diagrama fasorial de las corrientes viene dado por:
Figura 6.- Diagrama fasorial, donde ΦM es el flujo magnético.
2.2.- EL TRANSFORMADOR OPERANDO CON CARGA:
Al conectar una carga en el secundario circulara una corriente IS, que creara un flujo de inducción opuesto al flujo del devanado primario.
Figura 7.- Transformador con carga conectada.
2.3.- CIRCUITO EQUIVALENTE EXACTO DEL TRANSFORMADOR REAL:
Si se toma en cuenta todas las pérdidas (hierro + Cobre), el circuito equivalente será el siguiente:
Figura 9.- Circuito equivalente del transformador real Los elementos que conforman la rama de magnetización aparecen ubicados más internamente que la resistencia RP y la reactancia XP del primario. Debido a que el voltaje que realmente se aplica al núcleo es igual al aplicado al primario menos las caídas internas en el mismo devanado.
A pesar de que este circuito representa un modelo preciso del transformador, no es muy útil. Para analizar circuitos prácticos que contengan transformadores, es necesario convertir este modelo en un circuito equivalente referido a un único nivel de tensión.
En la resolución de problemas es necesario referir el circuito equivalente del transformador al lado primario o al lado secundario. Tal como se muestra en las siguientes figuras:
Figura 10.- Circuito equivalente del transformador referido al primario.
Figura 11.- Circuito equivalente del transformador referido al secundario.
2.4.- CIRCUITO EQUIVALENTE APROXIMADO:
Por la rama de excitación ( RO y XM ) circula una corriente muy pequeña comparada con la corriente de carga de los transformadores; bajo condiciones normales ocasiona unas caídas de voltaje completamente despreciables en RP y en XP. Por lo tanto, es posible hallar un circuito equivalente simplificado que proporciona casi tan buenos resultados como el modelo inicial; simplemente se pasa la rama de excitación a la entrada del transformador, quedando conectadas en serie las impedancias de primario y secundario. Al sumar estas impedancias resultan los circuitos equivalentes aproximados, que se muestran a continuación:
Figura 12.- Circuito equivalente aproximado del transformador referido al primario. Donde : ReqP = RP + a^2 RS → Resistencia equivalente referida al primario. XeqP = XP + a^2 XS → Reactancia equivalente referida al primario. ZP^ = a^2 Z → Impedancia de la carga referida al primario.
3.1.- PRUEBA DE AISLAMIENTO:
Para la realización de esta prueba se necesita un Megger, y las resistencias de aislamiento a medir son entre:
a.- Alta tensión y baja tensión b.- Baja tensión y tierra c.- Alta tensión y tierra
a. b. c. Figura 14.- Resistencias de aislamiento a medir del transformador.
3.2.- MEDIDA DE LA RESISTENCIA DE LOS DEVANADOS.
La determinación de esta resistencia se puede hacer por dos métodos. Mediante el uso de un ohmímetro o de puentes de precisión, tomando la medida en los terminales de cada devanado.
Medición indirecta, se hace conectando al devanado cuya resistencia se desea conocer, una fuente de corriente continua, se mide la tensión y corriente; luego se procede a aplicar ley de OHM
Figura 14.- Medida de las Resistencias del transformador.
R AC = ( 1. 2 − 1. 5 )R DC
3.3.- PRUEBA DE POLARIDAD
Con la idea de conectar bobinas de un transformador, ya sea en paralelo en serie, se hace necesario conocer la polaridad relativa de los devanados para obtener diferentes relaciones de voltaje.
Existe la convención de indicar con un punto (. ) a la polaridad positiva instantánea y de codificar a este terminal por un numero impar.
ENSAYOS PARA DETERMINAR LOS PARÁMETROS DEL TRANSFORMADOR:
Las magnitudes de las inductancias y de las resistencias del modelo del transformador pueden determinarse experimentalmente. Una buena aproximación de dichas magnitudes se logra con solo dos pruebas: El ensayo en circuito abierto y el ensayo en cortocircuito.
3.4.- ENSAYO EN CIRCUITO ABIERTO:
También llamado ensayo en vació. Con este ensayo se determinan las perdidas del circuito magnético ( Perdidas en el núcleo ) y los parámetros de vació del transformador.
Figura 16.- Circuito Equivalente del ensayo en vació. Luego, se puede calcular: Ih+P = IO. Cos θ
h p O O I
R V
2 Ih P 2 I (^) M= IO− +
I M
VO X (^) M=
3.5.- ENSAYO EN CORTO CIRCUITO:
En este ensayo es posible determinar las perdidas por efecto Joule en los devanados y los parámetros de corto del transformador.
Se conecta el siguiente circuito con los siguientes instrumentos:
Figura 17.- Conexiones para la prueba del transformador en corto circuito.
Se procede a alimentar el transformador a tensión reducida por el lado de alta tensión AT, dejando los bornes del lado de baja tensión BT cortocircuitados de tal manera que por ellos circule la corriente nominal o un valor cercano a ella. No hay potencia de salida, en consecuencia toda la potencia de entrada se transforma en perdidas.
WCC = Potencia de entrada, medida en el Vatímetro. WCC = PPERDIDAS NÚCLEO + PPERDIDAS JOULE + PPERDIDAS INSTRUMENTOS. Como en el caso anterior se pueden despreciar las perdidas en los instrumentos. Como el voltaje de alimentación es tan bajo durante este ensayo, por la rama de magnetización fluirá una corriente muy pequeña y las pérdidas en el núcleo se reducirán considerablemente con respecto a las perdidas a tensión nominal, en consecuencia en este ensayo se consideran despreciables las pérdidas en el núcleo. Por lo tanto se supone que el vatímetro marcara solamente las perdidas producidas por le calentamiento de los devanados.
WCC = PPERDIDAS JOULE. Por otra parte lo único que se opone al paso de la corriente será la impedancia equivalente de los devanados.
CC eq CC I
Z =V
WCC = ICC. VCC.CosθCC = ICC^2. Req ICC = INOMINAL
eq (^) I (^2) CCCC
R =W
Luego :
X (^) eq = Z^2 eq−R^2 eq
Luego, se puede calcular:
Ih+P = IO. Cos θ = 2,08. 0,40 = 0,833 A
= = = Ω
I
R V
h p O O
IM = I^2 O−I^2 h+P= 2 , 082 − 0 , 8332 = 1 , 906 A
= = 1 ,^240906 = 125 , 93 Ω IM XM VO
De la prueba en corto circuito, obtenemos:
Z = VI = 3690 , 62 = 190 , 6 Ω CC eq CC
WCC = ICC. VCC.CosθCC = ICC^2. Req
R = WI 2 = 31500 , 622 = 114 , 46 Ω CC eq CC
Luego :
X (^) eq= Z^2 eq−R^2 eq= 190 , 62 − 114 , 462 = 152 , 4 Ω
Referimos los parámetros de la prueba de vació, al lado de alta tensión, primario:
La relación de transformación :
a VV^1380024057 , 5 S = P^ = =
RO´ = RO. a^2 = 288 .(57,5)^2 = 952,2 KΩ Xo´ = XO. a^2 = 125,92 .(57,5)^2 = 416,32 KΩ El circuito definitivo, referido al lado de alta es:
3.6.- OBSERVACIONES SOBRE LOS ENSAYOS EN VACIÓ Y CORTO
CIRCUITO:
En el caso de no poder realizar el ensayo en vació a tensión nominal, se aplica la siguiente relación para conseguir las perdidas en el núcleo:
2 NOMINAL NUCLEO O O V
P W V
Donde WO es la potencia del ensayo y VO es la tensión con la que se realizo el ensayo. El ensayo en corto circuito se hace a corriente nominal, la potencia medida por el vatímetro corresponde a las perdidas en el cobre. Como las perdidas en el cobre dependen de la carga que alimenta el transformador, el valor real de las perdidas del cobre para cada carga, se calcula por la siguiente relación:
PJOULE =WCC [ %Carga]^2
Donde Wcc, es la potencia medida en el ensayo de corto circuito y el %Carga se calcula por la relación siguiente :
NOMINAL
CARGA S %C arga= S
Los tres transformadores individuales, permiten cambiar cualquiera de ellos en caso de avería. (Venezuela)
Las principales condiciones para la conexión en banco de transformadores monofasicos son:
- Que los transformadores tengan la misma capacidad en KVA o semejante. ( Potencia aparente )
- Que sus voltajes primario y secundario sean iguales.
- Que tengan idénticas marcas de polaridad.
- Se recomienda que los transformadores sean de un mismo fabricante. Un transformador trifásico consta de tres transformadores, separados o combinados, sobre un núcleo. Los primarios y secundarios de todo transformador trifásico pueden ser conectados independientemente en Ye ( Y estrella ) o en delta ( ∆ ). Esto da un total de cuatro conexiones posibles para un banco trifásico:
- Conexión Delta – Delta ( ∆ – ∆ ).
- Conexión Estrella – Estrella o Ye-Ye ( Y – Y ).
- Conexión Delta – Estrella ( ∆ – Y ).
- Conexión Estrella – Delta ( Y – ∆ ).
CONEXIÓN DELTA – DELTA ( ∆∆∆∆ – ∆∆∆∆ ).
