Introducción a los transformadores

Introducción

El transformador es uno de los dispositivos más comunes que se encuentran en los sistemas eléctricos y une los circuitos que están operando en diferentes voltajes. Estos se utilizan comúnmente en aplicaciones donde hay una necesidad de conversión de voltaje CA de un nivel de voltaje a otro. Es posible disminuir o aumentar el voltaje y las corrientes mediante el uso de transformadores en circuitos de CA en función de los requisitos del equipo o dispositivo eléctrico o carga. Varias aplicaciones usan una gran variedad de transformadores, incluidos los transformadores de potencia, instrumentación y pulsos.

En general, los transformadores se clasifican en dos tipos, los transformadores electrónicos y los transformadores de potencia. Los voltajes de funcionamiento de los transformadores electrónicos son muy bajos y están clasificados a bajos niveles de potencia. Estos se utilizan en equipos electrónicos de consumo como televisores, computadoras personales, reproductores de CD/DVD y otros dispositivos. El término transformador de potencia se refiere a los transformadores con altas calificaciones de potencia y voltaje. Estos se utilizan ampliamente en la generación de energía, transmisión, distribución y sistemas de utilidad para aumentar o disminuir los niveles de voltaje. Sin embargo, la operación involucrada en estos dos tipos de transformadores es la misma. Así que vamos a entrar en detalles sobre los transformadores.

Transformadores

¿Qué es un transformador eléctrico?

El transformador es un dispositivo estático (significa que no tiene partes móviles) que consiste en uno, dos o más devanados que están acoplados magnéticamente y separados eléctricamente con o sin un núcleo magnético. Transfiere la energía eléctrica de un circuito a otro por principio de inducción electromagnética. El devanado conectado al suministro principal de CA se denomina devanado primario y el devanado conectado a la carga o del que se extrae la energía se denomina devanado secundario. Estos dos devanados con el aislamiento adecuado están enrollados en un núcleo laminado que proporciona una ruta magnética entre los devanados.

transformador eléctrico

Cuando el devanado primario se energiza con una fuente de voltaje alterna, se producirá un flujo o campo magnético alterno en el núcleo del transformador. Esta amplitud de flujo magnético depende de la magnitud del voltaje aplicado, la frecuencia del suministro y el número de vueltas en el lado primario. Este flujo circula a través del núcleo y, por lo tanto, se vincula con el devanado secundario. Basado en el principio de inducción electromagnética, este enlace magnético induce un voltaje en el devanado secundario. Esto se conoce como inducción mutua entre dos circuitos. La tensión secundaria depende del número de vueltas en el secundario así como del flujo magnético y la frecuencia.

Los transformadores se utilizan ampliamente en sistemas de energía eléctrica para producir los valores variables de voltaje y corrientes en la misma frecuencia. Por lo tanto, mediante una proporción de espiras primaria y secundaria adecuada, la relación de voltaje deseada se obtiene mediante el transformador.

Construcción del transformador

Las partes principales de un transformador son núcleo, devanados, contenedor o tanque, bujes y conservadores y radiadores.

Núcleo

Para aplicaciones de alta potencia, el núcleo del transformador está hecho con material de alta permeabilidad que proporciona un camino de baja reluctancia para el flujo magnético. La sección transversal del núcleo sería cuadrada o rectangular.

En general, los transformadores de núcleo de hierro proporcionan una mejor transformación de potencia en comparación con los transformadores de núcleo de aire. Los transformadores de núcleo de aire se utilizan para aplicaciones de alta frecuencia (más de 2 KHz) mientras que, para aplicaciones de baja frecuencia (por debajo de 2 KHz) se emplean transformadores de núcleo de hierro.

En todos los tipos de transformadores, el núcleo está compuesto de silicio, laminaciones de acero o chapa de acero que se ensamblan para proporcionar una ruta magnética continua para el flujo. Con este núcleo laminado, las pérdidas por corrientes parásitas se reducen al mínimo.

El espesor de estas láminas de acero laminado es de 0,35 a 5 mm y están aisladas con un barniz u óxido o fosfato y luego se forman como núcleo.

Para obtener mejores propiedades magnéticas, se utilizan acero laminado en caliente orientado a grano (HRGO) o acero laminado en frío (CRGO) o laminado High B (HiB). En el caso de transformadores pequeños, el núcleo está construido con laminados de acero al silicio laminado en caliente en forma de E y I, C e I o O.

Construcción

Devanado

Generalmente, el transformador (de dos devanados) tiene dos devanados, los devanados primario y secundario que están compuestos de cobre de alta calidad.

Los conductores trenzados aislados se utilizan como devanados para transportar corrientes. Este aislamiento evita que las vueltas entren en contacto con otros alambres.

Devanados de un transformador

El voltaje conectado al bobinado primario se le llama voltaje primario mientras que el voltaje inducido en el secundario se llama voltaje secundario. Si el voltaje secundario es mayor que el primario, se denomina transformador elevador y, si es menor, se denomina transformador reductor. Por lo tanto, los devanados se designan como devanados HV y LV en función del nivel de tensión.

En comparación con el devanado LV, el devanado HV necesita más aislamiento para soportar altos voltajes, también necesita más espacio para el núcleo y el cuerpo.

Las bobinas del transformador pueden ser bobinas concéntricas o intercaladas. Las bobinas concéntricas se utilizan en transformadores de núcleo, mientras que las bobinas intercaladas se usan en transformadores tipo carcasa. En una disposición concéntrica, el devanado LV se coloca cerca del núcleo y el devanado de alta tensión se coloca alrededor del devanado LV para requisitos de aislamiento y de holgura bajos. Las bobinas más comúnmente usadas para el transformador incluyen bobinas helicoidales, intercaladas, de disco y cruzadas.

Otras partes necesarias del transformador son el tanque de conservación que se utiliza para proporcionar el almacenamiento de aceite necesario de modo que la presión del el aceite bajo las cargas pesadas este disponible. Cuando el aceite en el transformador este sujeto al calor, naturalmente, el petróleo se expande y contrae. Debajo de esto, el aceite está sometido a una fuerte presión por lo que sin un tanque de conservación, esta la  posibilidad de estallido del transformador.

Los bujes proporcionan el aislamiento a los terminales de salida que se tomarán de los devanados del transformador. Estos pueden ser bujes de porcelana o tipo condensador y en función del nivel de tensión de funcionamiento que se seleccionen. Debido a su construcción simple, duradera y robusta, los transformadores requieren  poco de mantenimiento. Debido a que no hay partes móviles, la eficiencia del transformador es muy alta, puede variar entre 95% y 98%.

Clasificación de transformadores

Los transformadores se clasifican en varios tipos según los diversos factores, incluidos los valores de tensión, construcción, tipo de refrigeración, número de fases del sistema de CA, lugar de empleo, etc. Permítanos analisar algunos de estos tipos de transformadores.

Basado en la función

Los transformadores se clasifican en dos tipos según la conversión del nivel de tensión. Estos son transformadores elevadores y descendentes.

Transformadores elevadores

En el transformador elevador, el voltaje secundario es más que el voltaje primario. Esto se debe a la menor cantidad de bobinas en la primaria en comparación con la secundaria. Este tipo de transformador se usa para elevar el voltaje a un nivel superior. Estos se usan en sistemas de transmisión y están clasificados a niveles de potencia más altos.

Transformadores reductores

En el transformador reductor, el voltaje secundario es menor que el voltaje primario debido al menor número de vueltas en el secundario. Por lo tanto, este tipo de transformador se usa para reducir la tensión a niveles específicos del circuito. La mayoría de las fuentes de alimentación utilizan el transformador reductor para mantener el rango operativo del circuito a un límite de voltaje más seguro específico. Estos tipos de transformadores se utilizan en sistemas de distribución (transformadores de potencia) y en circuitos electrónicos (transformadores electrónicos).

Cabe señalar que el transformador es un dispositivo reversible, por lo que se puede utilizar como transformador de subida y bajada. Por ejemplo, si el circuito necesita un alto voltaje, conectaremos los terminales HV a la carga, mientras que la carga o el circuito necesita un voltaje bajo, entonces conectaremos los terminales LV a la carga.

La relación de la tensión de un transformador está determinada por la relación de vueltas. Con el uso de un mayor número de vueltas en el devanado, mayor será el voltaje producido en él. Por lo tanto, un transformador reductor tiene un menor número de vueltas en el secundario para producir un voltaje bajo y tiene más vueltas en primario para soportar altos niveles de voltaje del suministro de CA.

Relación de vueltas = Voltaje primario/Voltaje secundario = vuelta primarias/vueltas secundarias

La relación de espiras es, VP/VS = NP/NS

Basado en la construcción del núcleo

Según la construcción, los transformadores se clasifican en dos tipos de la manera en que los devanados se colocan alrededor del núcleo. Estos tipos son transformadores de núcleo y tipo shell.

Transformador de tipo núcleo

transformador tipo núcleo

En este tipo de transformador, las bobinas rodean una parte considerable del núcleo. En general, los transformadores de distribución son de tipo núcleo. Algunos de los grandes transformadores de potencia son de tipo carcasa.

Las bobinas cilíndricas se utilizan en transformadores de núcleo y estas bobinas pueden ser rectangulares u ovaladas o circulares. Para transformadores de tipo núcleo de pequeño tamaño, se utiliza un núcleo rectangular simple con una bobina cilíndrica en forma circular o rectangular. Y para un transformador de tipo núcleo de gran tamaño, se utilizan núcleos cruciformes con bobinas cilíndricas redondas o circulares. En la mayoría de los transformadores de tipo núcleo, se utilizan bobinas cilíndricas debido a su resistencia mecánica. Estas bobinas cilíndricas están enrolladas en capas helicoidales y están aisladas entre sí por materiales aislantes como tela, papel, mica, etc. Es fácil aislar el devanado LV en comparación con el devanado HV; por lo tanto, está más cerca del núcleo.

Transformador tipo carcasa

En un transformador de tipo carcasa, el núcleo de hierro rodea una porción considerable del devanado de cobre como una carcasa inversa del transformador tipo núcleo. También en este tipo, las bobinas son heridas anteriores, pero son bobinas de tipo disco multicapa que se hieren en forma de panqueques. Estas bobinas de disco multicapa en diferentes capas están separadas entre sí por papel. El devanado completo consiste en discos apilados y entre las bobinas se proporciona el espacio de aislamiento para formar los conductos de aislamiento y enfriamiento horizontales.

El transformador de tipo bayas es el transformador de tipo carcasa más comúnmente utilizado. En el tipo de concha, el núcleo tiene tres extremidades y los devanados se enrollan alrededor de la rama central. Tanto los devanados de BT como de AT están divididos en diferentes bobinas que se disponen alternativamente. Entre los devanados de baja tensión, los devanados de alto voltaje están intercalados. De nuevo para reducir el requisito de aislamiento, los devanados de BT se colocan adyacentes al núcleo. Este tipo de construcción se usa para transformadores de alta calificación.

transformador de tipo carcasa

Segun la naturaleza del suministro

Según la naturaleza del suministro, transformadores puede ser transformadores de una o tres fases. Los transformadores monofásicos están diseñados para funcionar en un sistema monofásico; por lo tanto, tiene dos vueltas para transformar los niveles de voltaje. Estos se utilizan en los extremos remotos del sistema de distribución de energía. Estos tienen menos potencia nominal en comparación con los transformadores trifásicos. En su mayoría, la construcción de tipo núcleo se utiliza para este tipo de transformador.

Para trabajar con un sistema trifásico, necesitamos tres transformadores monofásicos. Por lo tanto, por una ventaja económica, el transformador trifásico se usa para la operación trifásica. Consiste en tres devanados o bobinas que están conectadas de forma adecuada para que coincida con el voltaje de entrada. Este tipo de transformadores, los devanados primarios y secundarios se conectan en forma de estrella-triángulo o delta-estrella dependiendo de los requisitos de tensión de carga

 

Otros tipos de transformador

Según el tipo de enfriamiento, estos se clasifican en

1. Transformador autoconfinado
2. Explosión de aire transformador enfriado
3. Transformador refrigerado por aceite y llenado
4. Transformador enfriado por agua lleno de aceite
5. Transformador enfriado por aceite forzado lleno de aceite

Basado en Uso

1. Transformador de potencia
2. Transformador de distribución
3. Transformador de instrumento

Principio de funcionamiento del transformador

El funcionamiento del transformador se basa en el principio de inducción mutua entre dos bobinas o devanados que están unidas por un flujo magnético común. Cuando el devanado primario se activa con el suministro de la fuente de CA, se establece un flujo magnético en el devanado primario. Este flujo está relacionado con los devanados primarios y secundarios porque el núcleo proporciona un camino de baja reluctancia para el flujo magnético. Por lo tanto, la mayor parte del flujo producido por los enlaces del bobinado primario van el bobinado secundario. Esto se conoce como flujo principal o flujo útil. Y también, el flujo que no se vincula con el devanado secundario se denomina flujo de fuga. La mayoría de los transformadores están diseñados para tener un flujo de fuga bajo para reducir las pérdidas.

De acuerdo con las leyes de inducción electromagnética de Faraday, este enlace de flujo con devanados primario y secundario induce EMF en ellos. Este EMF inducido en cada bobinado es proporcional al número de vueltas en él. El voltaje o EMF inducido en el devanado primario se denomina como EMF trasero que se opone a la tensión de suministro de entrada en la medida en que no fluya corriente primaria. Pero una corriente de magnetización pequeña fluye a través del primario del transformador. El EMF inducido en el devanado secundario es el voltaje de circuito abierto. Si el circuito secundario está cerrado o la carga está conectada, la corriente secundaria comienza a fluir a través de él, lo que causa la creación de un flujo magnético desmagnetizante. Debido a este flujo de desmagnetización, el desequilibrio se crea entre el voltaje aplicado y el EMF. Para restaurar el equilibrio entre estos dos, se extrae más corriente de la fuente de suministro para que se cree un campo magnético equivalente para equilibrar con el campo secundario.

Dado que el mismo flujo mutuo corta ambos devanados, los campos electromagnéticos inducidos en cada vuelta de ambos los devanados son lo mismo Por lo tanto, el EMF total inducido en cada devanado debe ser proporcional al número de vueltas en ese devanado. Esto resulta en el establecimiento de una relación bien conocida entre los campos electromagnéticos inducidos y el número de vueltas. Y se da como

E1/E2 = N1/N2

Ya que los voltajes de los terminales de ambos devanados son ligeramente diferentes de sus EMF inducidos, podemos escribir lo como

V1/V2 = N1/N2

Esto se conoce como la relación de transformación del transformador. Este valor de transformación es mayor que la unidad en el caso del transformador elevador y es menor que la unidad en el transformador reductor.

En términos de amperes, el balance de vueltas,

I1N1 = I2N2

I1/I2 = N2/N1

Circuito equivalente de transformador

Un circuito equivalente de una máquina o dispositivo es simplemente una interpretación de las ecuaciones que combina las resistencias y reactancias fijas y variables, que simula o describe exactamente el comportamiento completo de la máquina. En general, los problemas relacionados con el voltaje y las corrientes de un transformador se pueden resolver mediante el uso de diagramas de fasores. Sin embargo, para facilitar los cálculos, es muy conveniente representar el transformador mediante un circuito equivalente. Con la aplicación de la teoría de circuitos directos a este circuito equivalente, podemos encontrar fácilmente la corriente y los voltajes en el transformador.

La figura anterior muestra el circuito equivalente del transformador en el que se imagina que la resistencia y la reactancia tanto de los devanados primarios como secundarios son externos (se muestran por separado) al devanado. La corriente de no carga Io es la combinación del componente de magnetización Iu y el componente activo Iw. Por lo tanto, el efecto de la corriente de magnetización se representa como Xo y el efecto de componente activo o componente de pérdida de núcleo está representado por la resistencia no inductiva Ro. Tanto Ro como Xo se conectaron a través del bobinado primario como se muestra en la figura. Esta combinación en paralelo se denomina circuito equivalente en condición de carga de NO.

Cuando la carga se conecta al secundario, la corriente I2 comienza a fluir a través del circuito secundario y causa la caída de tensión a través de X2 y R2. Como se mencionó anteriormente, debido a la corriente secundaria I2, el primario consume más corriente. Por lo tanto, la corriente primaria I1 causa una caída considerable a través de R1 y X1.

Para simplificar los cálculos, el circuito equivalente se simplifica aún más transfiriendo las resistencias y reactancias secundarias al lado primario de modo que el E2/E1 la relación no se ve afectada tanto en fase como en magnitud.

El equivalente primario del EMF secundario es

E2 ‘= E2/K

Donde K es la relación de transformación

De manera similar, el equivalente primario del voltaje del terminal secundario es

V2 ‘= V2/K

El equivalente primario de la corriente secundaria es

I2 ‘= I2/K

Deje que R2′ sea la resistencia para ser transferido al lado primario que produce la caída en primaria al igual que se produjo en el secundario. Entonces I2’R2 ‘es la caída de voltaje en el primario por el R2’. Esto resulta que la relación de I2’R2 ‘e I2R2 debe ser igual que la N1/N2 (relación de vueltas).

Por lo tanto,

(I2’R2 ‘)/(I2R2) = (N1/N2) = (1/K)

R2′ = R2 × (I2/I2 ‘) × (1/K)

Pero (I2/I2′) = (N1/N2) = (1/K)

Por lo tanto, R2 ‘= R2/K2

Del mismo modo, X2′ = X2/K2

Del mismo modo, las resistencias de carga y las reactancias también se pueden transferir al lado primario. Con todos estos valores transferidos, el circuito equivalente exacto del transformador se muestra a continuación.

También es posible transferir la resistencia primaria y la reactancia (o simplemente la impedancia) al secundario del mismo modo que la resistencia secundaria y la reactancia (o impedancia) se transfieren a la primaria. Deje que R1 ‘y X1’ sean la resistencia y la reactancia transferidas al lado secundario desde el primario, luego

R1 ‘= K2R1

X1 ‘= K2X1

Se observa que la corriente sin carga es una pequeña fracción de la corriente a plena carga y también E1 difiere de V1 en una pequeña cantidad y, por lo tanto, la corriente I2 ‘es prácticamente igual al I1. Por lo tanto, la caída de tensión debida a la corriente de no carga Io a través de R1 y X1 se deprecia. Por lo tanto, el circuito equivalente exacto se simplificó aún más al desplazar la rama paralela sin carga hacia la izquierda que consiste en Ro y Xo a la posición extrema izquierda, como se muestra en la figura siguiente. Este circuito se denomina circuito equivalente apropiado del transformador referido al lado primario. Por lo tanto, el análisis se vuelve simple al agregar resistencias y reactancias en serie.

Pérdidas en el transformador

El transformador no tiene partes móviles y, por lo tanto, no tiene pérdidas mecánicas. Por lo tanto, las pérdidas en el transformador se consideran pérdidas de energía eléctrica. Existen dos tipos de pérdidas eléctricas en un transformador, que son pérdidas de núcleo y cobre.

Pérdidas de núcleo o hierro

Estas pérdidas incluyen tanto histéresis como pérdidas por corrientes de Foucault.

El flujo magnético que aumenta en el núcleo del transformador es tipo alterno; por lo tanto, sufre un ciclo de magnetización y desmagnetización. Durante esto, se requiere una potencia adecuada para la inversión continua de los imanes elementales del núcleo de hierro. Esto se conoce como efecto de histéresis y debido a esto una considerable pérdida de energía tiene lugar.

Pérdida de histéresis = Kh Bm1.67f v Watts

Donde,

Kh = Histéresis constante

Bm = Máxima densidad de flujo

f = frequency

v = volumen del núcleo

Dado que el núcleo del transformador esta compuesto de materiales ferromagnéticos que también son buenos conductores. Y, por lo tanto, el flujo magnético que se une con el núcleo induce fem en el núcleo. De ahí que el núcleo establezca corrientes parásitas en el núcleo, por lo que se producen considerables pérdidas por corrientes parásitas en el núcleo.

Pérdidas por corrientes parásitas = Ke Bm2f2t2 W/unidad de volumen

Donde,

Ke = Constante de corriente Eddy

t = grosor de el núcleo

De las dos ecuaciones anteriores, se debe observar que el voltaje de suministro a una frecuencia fija es constante y, por lo tanto, el flujo a su vez  y la densidad de flujo en el núcleo es casi constante. Por lo tanto, tanto la histéresis como las pérdidas por corrientes parásitas son constantes durante todas las cargas. Osea, las pérdidas del núcleo también se denominan pérdidas constantes.

Al utilizar materiales del núcleo de alta calidad como el acero al silicio que tiene un ciclo de histéresis muy bajo, las pérdidas por histéresis se minimizan o reducen. Por otro lado, las pérdidas por corrientes de Foucault se minimizan al usar núcleo laminado. Estas pérdidas constantes o de núcleo se pueden medir llevando a cabo un circuito abierto en el transformador.

Pérdidas de cobre

Estas pérdidas ocurren en las resistencias del devanado del transformador cuando transmite corriente de carga. La pérdida total de cobre en el transformador se obtiene sumando pérdidas de cobre primarias y secundarias. Estos se encuentran al conducir cortocircuitos en el transformador.

Otras pérdidas en el transformador incluyen pérdidas dieléctricas y pérdidas de carga parásita. Las pérdidas parásitas son el resultado de las corrientes parásitas en el tanque y los conductores de devanados. Las pérdidas dieléctricas se producen en los materiales aislantes, como el aceite y los aislamientos sólidos del transformador.

Eficiencia del transformador

Es la relación de salida de potencia útil a la entrada de potencia del transformador que funciona a una carga y factor de potencia en particular.

Eficiencia = Salida/Entrada

= Salida/(Salida + Pérdida Total) o

= (Entrada -Pérdidas)/Entrada

= 1-(Pérdidas/Entrada)

En general, la eficiencia del transformador está en el rango de 95 a 98% A partir de la ecuación de eficiencia anterior, se puede observar que la eficiencia depende de los vatios, pero no en la clasificación de voltios-amperios. Por lo tanto, en cualquier clasificación de voltios-amperios, la eficiencia del transformador depende del factor de potencia. La eficiencia es máxima al factor de potencia unitario y se determina calculando las pérdidas totales de las pruebas OC y SC.

Aplicaciones de Transformers

• Aumenta o disminuye el nivel de tensión en los sistemas de transmisión de potencia, como los sistemas de transmisión y distribución.
• Para aislar los circuitos de baja tensión y de alta tensión circuitos en el caso de subestaciones, circuitos de control en industrias, etc.
• Los transformadores de medida como el transformador de corriente y el potencial se utilizan en sistemas de protección e indicación de medidores.
• Estos también se usan para que las impedancias coincidan.