Transformadores

Un transformador es un dispositivo capaz de transformar los valores de tensión y corriente a un lado y al otro del aparato, manteniendo prácticamente intacta la potencia transferida. Cuando aumenta la tensión de entrada a su salida, disminuye la corriente, manteniendo la potencia constante. El transformador disminuye sus valores de corriente para el transporte al inicio de la línea por dos causas:

• A menores valores de corriente, menores serán también los valores de sección del cableado necesarios para transportar la energía eléctrica.
• Al mismo tiempo, cuanto menor sea el valor de la corriente, menor será la pérdida de potencia por efecto Joule, que aumentará al final de la línea hasta alcanzar valores aptos para el consumo.

(Los transformadores de potencia son capaces de mantener la potencia constante).

Tipos de Redes de Distribución

Las redes de distribución se unen unas con otras mediante subestaciones transformadoras, que pueden ser:

• Radiales: Tienen la alimentación en uno de sus extremos.
• Anillo: Se alimentan por dos de sus extremos.
• Malladas: Se entrelazan líneas radiales y en círculo hasta formar una malla. Son difíciles de implementar, pero ofrecen un buen servicio y son flexibles.

Partes del Transformador

1. Devanado de alta: Tensión mayor.
2. Devanado de baja: Tensión menor.
3. Devanado secundario: Alimenta a la carga.
4. Devanado primario: Se aplica la tensión primaria para su funcionamiento.
5. Núcleo ferromagnético

Constitución del Transformador

Está formado por tres circuitos: dos eléctricos y uno magnético.

• Magnético: Está formado por un núcleo de chapas de aleación ferromagnética que están separadas unas de otras por un elemento aislante, que sirve para evitar pérdidas de Foucault.
• Eléctrico: Son los que transforman las tensiones y corrientes. Están formados por un arrollamiento en cada circuito, que son de hilo de cobre con aislante exterior.

Tipos de Núcleos

1. Sin acorazar
2. Acorazado
3. Anular

Principio de Funcionamiento del Transformador

Se clasifican en dos tipos: transformador monofásico y transformador trifásico.

1. Transformador Monofásico Ideal en Vacío

Es aquel que no tiene en cuenta las pérdidas eléctricas y magnéticas.

Funcionamiento en Vacío

Se conecta el primario a la red y el secundario no se le conecta carga alguna. Sus condiciones, por ser ideal, son:

• No hay pérdida de flujo magnético en el núcleo.
• La resistencia de ambos arrollamientos es nula.
• No hay pérdidas por histéresis en el material ferromagnético.

La relación de transformación = E₁/E₂ = U₁/U₂ = n₁/n₂ = r

2. Transformador Monofásico Ideal en Carga

Se conecta el primario a la red y, al conectar una carga circular por este, una intensidad I₂, esta intensidad crea una fuerza magnetomotriz (N₂·I₂) que tiende a modificar el flujo común. Sin embargo, esto no sucede porque el primario tiene otra fuerza igual a la del secundario, pero de sentido contrario, que equilibra su efecto y, por eso, el flujo común se mantiene constante.

Relación de transformación = E₁/E₂ = I₂/I₁ = n₁/n₂ = r

3. Transformador Monofásico Real en Vacío

Aquí no tenemos en cuenta una corriente por el secundario porque no alimentamos a ninguna carga y se suponen las siguientes condiciones:

• Hay pérdida de flujo magnético con el núcleo.
• La resistencia de ambos arrollamientos es no nula.
• Hay pérdidas por histéresis en el material ferromagnético.
• Se origina una pérdida de potencia activa en el primario que arroja una diferencia de desfases entre primario y secundario.

(Las pérdidas en vacío representan el desfase en grados de la corriente de vacío que se origina en el devanado primario por los fenómenos anteriores: cos fi = P_o/U₁·I₀)

4. Transformador Monofásico Real en Carga

Si conectamos en los extremos del secundario una impedancia Z y teniendo en cuenta que existen ya pérdidas en los devanados y en el núcleo del transformador, tenemos que la tensión de salida no es la misma que la fuerza electromotriz que la origina con el devanado secundario, porque hay que contar las pérdidas en el cobre del secundario: U₂ = e₂; U₂ = E₂ – I₂·Z₂ (Aparece una corriente en el secundario causante de la caída de tensión en el mismo y que alimentará a la carga y, también, tendremos en cuenta otra corriente que genera un flujo magnético y que es casi igual que en vacío. Se genera una corriente en el primario de forma que la suma de las dos, primaria y secundaria, nos da que la corriente de vacío que genera el flujo magnético es: I₀ = I₁ + I₂ y se sigue cumpliendo: E₁/E₂ = n₁/n₂ = r

Rendimiento del Transformador

Las pérdidas son:

• En el cobre: Derivadas del calentamiento de los devanados primario y secundario, y que dependen de las corrientes que los atraviesan.
• En el hierro: Producidas por el núcleo ferromagnético y que dependen de la tensión del primario.

El rendimiento es igual a: P₂/P₁

Caída de Tensión del Transformador e Índice de Carga

Un transformador tiene dos circuitos eléctricos y uno magnético. Si suponemos que I₀ es una corriente de valor próximo a cero, tenemos que la corriente en el primario y el secundario será igual que el transformador real en carga -1/r. Las impedancias primaria y secundaria, al estar en serie, se suman formando una tercera impedancia que llamamos de cortocircuito y se debe al ensayo en cortocircuito. En el primario, la tensión tiene que ser tal que la corriente sea justo la nominal primaria, y la impedancia de cortocircuito es: Zcc = Ucc₁/I_n1 donde -> Ucc₁ <>_n1. También tendremos en cuenta que no es lo mismo llevar al transformador a un valor de tensión primaria hasta llegar a la corriente nominal que lleva al transformador a un valor de tensión primaria que origine una corriente de cortocircuito y que produce un accidente peligroso.

El índice de carga es = Pcu/Pcu p.c. = Rcc·I₁²/Rcc·I_n1²

Acoplamiento en Paralelo de Transformadores

Si se rompe un transformador:

• Lo sustituimos por otro de mayor potencia.
• Sumamos otro de las mismas características compatibles en paralelo.

Para poder conectarlos en paralelo, hay unas condiciones:

1. Poseer igual relación de transformación en vacío.
2. Estar conectadas las fases a bornes homólogos en cada uno de los transformadores.
3. Poseer iguales tensiones de cortocircuito.
4. Que la relación entre las potencias nominales de los dos no sea mayor de 3 a 1.

Transformadores de Potencia

Su función es la de transformar los valores de tensión y corriente para transportar la energía eléctrica por las redes de distribución eléctrica. Hay varios tipos:

1. Según el refrigerante: Pueden ser secos o encapsulados. Esta refrigeración dependerá de la potencia a la que trabaje el transformador.
2. De refrigeración natural o forzada: Con serpentines o ventiladores para refrigerar mejor el fluido.
3. Elevadores o reductores: Según eleven o reduzcan la tensión entre primario y secundario.
4. De aislamiento: Separan unos circuitos de otros.
5. Monofásicos o trifásicos: Según la línea en la que trabajan.
6. De intemperie o de interior: Si trabajan en interior o exterior.

Transformador de Medida de Tensión o Intensidad

Su función es permitir el uso de aparatos de medida en líneas de tensiones elevadas donde el aparato no posee una escala adecuada para poder medir. Funciona en que el transformador amplía o reduce los valores de tensión y de corriente en un número entero, para que el valor máximo del aparato de medida se adapte al del circuito que vayamos a medir.

Autotransformadores

Un autotransformador es, básicamente, un dispositivo que está formado por una bobina enrollada sobre un núcleo magnético con una toma de conexión intermedia. Esta última es utilizada para introducir un voltaje a través de esta conexión, siendo estos voltajes mayores o menores al de la fuente de alimentación, es decir, los bobinados primario y secundario están unidos físicamente. Tiene una serie de ventajas y desventajas:

Ventajas

• Ahorro de material, ya que tiene un núcleo menor.
• Menores pérdidas por calentamiento.
• Pesa menos.
• Es más económico.
• Se puede regular en corriente alterna, ya que modifica la posición del terminal del secundario respecto del bobinado.

Desventajas

• No puede utilizarse como transformador separador, por no tener aislamiento entre el primario y el secundario.

Aplicaciones

Para motores de inducción tipo jaula de ardilla para hacer un arranque suave o para electrodomésticos que trabajen a una tensión de 110 V, por ejemplo.

Ciclo de Histéresis

Cuando a un material ferromagnético se le aplica un campo magnético creciente B_ap, su imantación crece desde O hasta la saturación M_s, ya que todos los dominios magnéticos están alineados. Así se obtiene la curva de primera imantación. Posteriormente, si B_ap se hace decrecer gradualmente hasta anularlo, la imantación no decrece del mismo modo, ya que la reorientación de los dominios no es completamente reversible, quedando una imantación remanente M_R: el material se ha convertido en un imán permanente. Si invertimos B_ap, conseguiremos anular la imantación con un campo magnético coercitivo B_c. El resto del ciclo se consigue aumentando de nuevo el campo magnético aplicado. Este efecto de no reversibilidad se denomina ciclo de histéresis.

histéresis.

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