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Máquinas eléctricas, resumen, transformadores, definición, tipos
Tipo: Resúmenes
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Un transformador es un dispositivo que cambia la potencia eléctrica alterna con un nivel de voltaje a potencia eléctrica alterna con otro nivel de voltaje mediante la acción de un campo magnético. Consta de dos o más bobinas de alambre conductor enrolladas alrededor de un núcleo ferromagnético común. Estas bobinas (normalmente) no están conectadas en forma directa. La única conexión entre las bobinas es el flujo magnético común que se encuentra dentro del núcleo. Uno de los devanados del transformador se conecta a una fuente de energía eléctrica alterna y el segundo (y quizá el tercero) suministra energía eléctrica a las cargas. El devanado del transformador que se conecta a la fuente de potencia se llama devanado primario o devanado de entrada, y el devanado que se conecta a la carga se llama devanado secundario o devanado de salida. Si hay un tercer devanado en el transformador, se llama devanado terciario.
La invención del transformador y el desarrollo simultáneo de las fuentes de potencia alterna eliminaron para siempre las restricciones referentes al alcance y al nivel de los sistemas de potencia. Un transformador cambia, idealmente, un nivel de voltaje alterno a otro nivel de voltaje sin afectar la potencia que se suministra. Si un transformador eleva el nivel de voltaje en un circuito, debe disminuir la corriente para mantener la potencia que entra en el dispositivo igual a la potencia que sale de él. De esta manera, a la potencia eléctrica alterna que se genera en un sitio determinado, se le eleva el voltaje para transmitirla a largas distancias con pocas pérdidas y luego se reduce para dejarla nuevamente en el nivel de utilización final.
El propósito principal de un transformador es convertir la potencia alterna de un nivel de voltaje en potencia alterna de la misma frecuencia, pero con otro nivel de voltaje. Los transformadores de potencia se construyen de dos maneras. Un tipo de transformador consta de una pieza de acero rectangular, laminada, con los devanados enrollados sobre dos de los lados del rectángulo. Esta clase de construcción, conocido como transformador tipo núcleo. El otro consta de un núcleo laminado de tres columnas,
cuyas bobinas están enrolladas en la columna central. Esta clase de construcción se conoce como transformador tipo acorazado. En un transformador físico los devanados primario y secundario están envueltos uno sobre el otro con un devanado de bajo voltaje en la parte interna (más cerca del núcleo). Esta disposición cumple dos objetivos:
Un transformador ideal es un dispositivo sin pérdidas que tiene un devanado de entrada y un devanado de salida. Las relaciones entre el voltaje de entrada y el de salida, y entre la corriente de entrada y la de salida, se describen en dos sencillas ecuaciones. La relación entre el voltaje 𝑣𝑃(𝑡) aplicado al lado primario del transformador y el voltaje 𝑣𝑆(𝑡) producido en el lado secundario es:
Los transformadores ideales por supuesto que no se pueden fabricar. Los que sí se pueden hacer son transformadores reales: dos o más bobinas de alambre enrollado alrededor de un núcleo ferromagnético. Las características de un transformador real son muy parecidas a las de un transformador ideal, pero sólo hasta cierto punto.
Cuando se conecta una fuente de potencia de ca a un transformador, la corriente fluye en su circuito primario, incluso si el circuito secundario está abierto. Esta corriente es la que se requiere para producir flujo en un núcleo ferromagnético real. Consta de dos componentes:
Las pérdidas que ocurren en los transformadores reales deben tenerse en cuenta para obtener un modelo exacto del comportamiento de un transformador. Los principales aspectos que se deben considerar en la construcción de un modelo como éste son:
Debido a que un transformador real tiene dentro de él impedancias en serie, el voltaje de salida de un transformador varía con la carga incluso cuando el voltaje de entrada permanece constante. Para comparar convenientemente los transformadores en este aspecto, se acostumbra definir una cantidad llamada regulación de voltaje (RV). La regulación de voltaje a plena carga es una cantidad que compara el voltaje de salida de un transformador sin carga (en vacío) con el voltaje de salida a plena carga. Normalmente es deseable tener una regulación de voltaje tan pequeña como sea posible. En el caso de un transformador ideal, RV = 0%. No siempre es una buena idea tener una baja regulación de voltaje ya que, a veces, los transformadores de alta impedancia y alta regulación de voltaje se utilizan deliberadamente para reducir las fallas de corriente en un circuito. A los transformadores también se les juzga y compara por su eficiencia. Los circuitos equivalentes del transformador facilitan los cálculos de eficiencia. Hay tres tipos de pérdidas en los transformadores:
Los transformadores de distribución tienen una serie de tomas (taps) en los devanados para permitir pequeños cambios en la relación de vueltas del transformador después de haber salido de la fábrica. Una instalación típica tiene cuatro tomas, además del valor nominal con intervalos de 2.5% del voltaje a plena carga. Tal distribución permite ajustes de hasta 5% por encima o por debajo del voltaje nominal del transformador. Las tomas de un transformador permiten ajustar el transformador para acomodarse a las variaciones de voltaje locales. Sin embargo, por lo general estas tomas no se pueden cambiar mientras se está suministrando potencia al transformador. Deben definirse una vez y dejarse así. A veces se utiliza el transformador en una línea de potencia con un voltaje que varía ampliamente con la carga. Estas variaciones de voltaje se pueden deber a una alta
Un transformador trifásico consta de tres transformadores, ya sea separados o combinados sobre un solo núcleo. Los primarios y secundarios de cualquier transformador trifásico se pueden conectar independientemente en ye (Y) o en delta (Δ). Esto nos da un total de cuatro conexiones posibles en el banco de un transformador trifásico:
Se utilizan dos tipos de transformadores de propósito especial con los sistemas de potencia para hacer mediciones. Uno es el transformador de potencial y el otro es el transformador de corriente. El transformador de potencial es un transformador con devanados especiales: el primario para alto voltaje y el secundario para bajo voltaje. Este transformador tiene una potencia nominal muy baja y su único propósito es suministrar una muestra del sistema de voltaje de potencia a los instrumentos que lo monitorean. Debido a que el principal propósito del transformador es tomar muestras del voltaje, debe ser muy exacto para no distorsionar demasiado el valor de voltaje verdadero. Se pueden comprar transformadores de potencial de varios niveles de exactitud, dependiendo de qué tan exactas deban ser las lecturas para determinada aplicación. Los transformadores de corriente toman una muestra de la corriente en una línea y la reducen a un nivel seguro y mensurable. El transformador de corriente consta de un devanado secundario enrollado alrededor de un anillo ferromagnético, con una sola línea primaria que pasa a través del centro del anillo. El anillo ferromagnético capta y concentra una pequeña muestra del flujo de la línea primaria. Este flujo induce un voltaje y una corriente en el devanado secundario. Los transformadores de corriente difieren de los demás transformadores descritos en este capítulo en que sus devanados están débilmente acoplados. Es importante mantener en cortocircuito al transformador de corriente en todo momento, debido a que pueden aparecer voltajes extremadamente altos a través de los terminales de sus secundarios abiertos. De hecho, la mayoría de los relés y otros aparatos que utilizan la corriente de un transformador de corriente tienen un enclavamiento en cortocircuito que se debe cerrar antes de remover el relé para su inspección o ajuste. Sin este enclavamiento, aparecerán altos voltajes muy peligrosos en los terminales secundarios en el momento en que se retire el relé de su conexión.