Universidad Nacional Experimental Francisco de Mirandarea de Tecnologa Departamento de Mecnica y Tecnologa de la ProduccinElectrotecnia

Trasformadores Monofsicos

Punto fijo, Abril 20152

NDICE

INTRODUCCIN11.TRANSFORMADORES MONOFASICOS22.PRINCIPIOS BSICOS DE FUNCIONAMIENTO33.PARTES Y COMPONENTES54.VALORES NOMINALES65.RELACIONES FUNDAMENTALES86.POLARIDAD107.CIRCUITO EQUIVALENTE11Ensayo de circuito abierto11Ensayo de cortocircuito12Rendimiento13CONCLUSIN15REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS16

INTRODUCCIN

1. TRANSFORMADORES MONOFASICOSUn transformador es un dispositivo que cambia potencia elctrica alterna de un nivel de voltaje a potencia elctrica alterna a otro nivel de voltaje mediante la accin de un campo magntico. Consta de dos o ms bobinas de alambre conductor enrollados alrededor de un ncleo ferromagntico comn. Estas bobinas no estn (usualmente) conectadas en forma directa. La nica conexin entre las bobinas es el flujo magntico comn que se encuentra dentro del ncleo. Uno de los devanados del transformador se conecta a una fuente de energa elctrica alterna y el segundo suministra energa elctrica 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 le llama devanado segundario o devanado de salida.Los transformadores de potencia se construyen de dos maneras. Un tipo de transformador consta de una pieza nica de acero rectangular, laminada, con los devanados enrollados sobre dos de los lados del rectngulo. Este tipo de construccin, conocido como transformador de ncleo. El otro consta de un ncleo laminado de tres columnas, cuyas bobinas estn enrolladas en la columna central. Este tipo de construccin se conoce como transformador acorazado, el ncleo se construye de delgadas lminas aisladas elctricamente unas de otras para minimizar las corrientes parasitas.En un transformador acorazado, las bobinas del primario y del segundario estn fsicamente enrolladas una sobre la otra; la bobina de menor voltaje est situada en la parte interna (ms cerca del ncleo). Esta disposicin cumple dos objetivos:1. Simplifica el problema del aislamiento del devanado de alta tensin desde el ncleo.2. Resulta menor flujo disperso que en caso de disponer de dos devanados en el ncleo, separados. Los trasformadores de potencia reciben variedad de nombres, dependiendo de su utilizacin en los sistemas de potencia. Un transformador conectado a la salida de un generador utilizado para elevar el voltaje hasta un nivel de transmisin (110kV y mayores) a veces se denomina transformadores de unidad. El transformador situado en el otro extremo de la lnea de transmisin, que reduce de los niveles de transmisin a los niveles de distribucin (desde 2.3 a 34.5kV), se denomina transformador de subestacin. Por ltimo, el transformador que reduce el voltaje de distribucin al voltaje final al que se utiliza la potencia (110, 208, 220 V, etc.) es llamado transformador de distribucin. Todos estos dispositivos son, en esencia, el mismo; la nica diferencia entre ellos es la utilizacin que se le da.Figura N 1 distribucin de energa elctrica

2. PRINCIPIOS BSICOS DE FUNCIONAMIENTOUn transformador en su forma ms simple est constituido por un ncleo rectangular ferromagntico que lleva en dos de sus regiones un enrollado o devanado que constituyen los circuitos primarios y segundarios, tal y como se muestra en la figura N 1. El funcionamiento de un transformador se fundamenta en la ley de induccin electromagntica de Faraday, donde establece cualquier cambio del entorno magntico en que se encuentra una bobina, originar un "voltaje" (una FEM inducida en la bobina), es decir, si una corriente que circula a travs de una bobina es contante o variable esta genera un campo magntico, el cual hace que se induzca voltajes en los conductores y bobinas que estn cerca.El principio de funcionamiento del transformador puede plantearse de la siguiente forma: si se aplica una tensin alterna en los terminales del devanado primario circulara por este una corriente alterna, que a su vez genera un campo magntico variable, por medio del ncleo ferromagntico se hace canalizar el flujo magntico al devanado segundario generando una induccin electromagntica y as logrando la aparicin del voltaje en los terminales del devanado segundario. La tensin en el devanado secundario depender directamente del nmero de espiras que tengan los devanados y de la tensin del devanado primario.Figura N 2 Transformador de Ncleo

3. PARTES Y COMPONENTESLos transformadores estn compuestos de diferentes elementos. Los componentes bsicos son: Figura N 3 Transformador de Ncleo simple

El ncleoEl ncleo est formado por varias chapas u hojas de metal (generalmente material ferromagntico) que estn apiladas una junto a la otra, sin soldar, similar a las hojas de un libro. La funcin del ncleo es mantener el flujo magntico confinado dentro de l y evitar que este fluya por el aire favoreciendo las prdidas en el ncleo y reduciendo la eficiencia. La configuracin por lminas del ncleo laminado se realiza para evitar las corrientes de Foucault, que son corrientes que circulan entre lminas, indeseadas pues favorecen las perdidas.BobinasLas bobinas son simplemente alambre generalmente de cobre enrollado en las piernas del ncleo. Segn el nmero de espiras (vueltas) alrededor de una pierna inducir un voltaje mayor. Se juega entonces con el nmero de vueltas en el primario versus las del secundario. En un transformador trifsico el nmero de vueltas del primario y secundario debera ser igual para todas las fases.4. VALORES NOMINALESSe entiende por valor nominal el valor que se asigna como de utilizacin normal de la magnitud considerada. Los valores nominales no estn normalizados y son tomados por quien va a utilizar un equipo de cierta clase o por el fabricante a n de especicar la capacidad normal (nominal) del equipo que fabrica a lo largo de su vida til. Los valores nominales utilizados usualmente en Venezuela segn las normas COVENIN son los dispuestos en la tabla n1.Tabla n 1 Valores Nominales para transformadores monofsicos

Alta Tensin del Transformador *Potencial Nominal para Bajas Tensiones KVA

Valor nominal (V)Tomas (%)600V y menores2400 V o 4800 V7200 V

Arriba Abajo

24002400/4160 Y

NingunaNinguna 5 50 --

2 x 2,52 x 2,5 10 167250 500 --

4800 O4800/8320 YNingunaNinguna 5 167--

2 x 2,52 x 2,5 5 167250 500

7200 o 7200/12470 YNingunaNinguna 5 50-

2 x 2,52 x 2,5 5 167250 500 50 167 250 500

12470 Tierra Y/ 72002 x 2,52 x 2,5 5 50--

13800/23900 Y1440013200/12870/125405 167250 500

--250 500 -

24940 Tierra Y/ 14400Ninguna13800/13200/12870/125405 167

230 500

50 100

-

14400/24940 YNinguna13800/13200/12870/125405 167

250 500

-

-

34500 tierra Y/ 199202 x 2,52 x 2,55 50 --

2290024100/23500/22300/2170025 500- -100 500 -167 500

288002 x 2,52 x 2,525 167 --

3450036200/3530033500/32600333 500

167 500

167 500

* Se indica la potencia nominal del transformador en baja tensin de acuerdo a los niveles de tensin del sistema. Los valores de potencia nominal (kVA) nominales son: 5, 10, 15, 25, 37.5, 50, 75, 100, 167, 250, 333 y 500, un guion entre nmeros (-) indica que adems de los valores indicados estn incluidos todos los intermedios.

Datos Nominales de un TransformadorA n de especicar las magnitudes elctricas fundamentales en la que debe o ser utilizado un transformador los fabricantes indican en los llamados datos de chapa los siguientes valores fundamentales:Valor nominal para cada bobinado: V1n/V2n indica el valor nominal de la tensin del bobinado 1 y del bobinado 2 para un transformador de dos bobinados.Relacin de Transformacin: V1n/V2n indica la relacin de transformacin n, la cual se lee como: si aplico la tensin V1n del lado primario tengo, con el transformador en vaco, una tensin V2n del lado secundario. Luego nos da la relacin de transformacin del transformador ideal del modelo del transformador real.Potencia nominal (Sn) en VA: Es la potencia aparente expresada en VA que determina la corriente nominal que circula por cada bobinado del transformador cuando este est bajo sus voltajes nominales en cada bobinado: Sn = Vn In. Corriente nominal (In) de cada bobinado: Es la corriente por los terminales del transformador correspondiente a dividir la potencia nominal entre el voltaje nominal no teniendo en cuenta la corriente por la impedancia magnetizante. In = Sn/Vn.Frecuencia nominal: es la frecuencia en Hz para la que ha sido diseado el transformador.La placa caracterstica o chapa de un transformador siempre debe dar por lo menos los valores antes indicados que definen como debe ser aplicado un transformador. As entonces, a modo de ejemplo, si la chapa dice: transformador monofsico, 50Hz, 6,3/0,23 kV, 100kV A se interpreta como: El transformador es para ser utilizado en clase 7,2kV en el primario y clase 1kV en el secundario. Su relacin de transformacin es: n = 6300/230 Cuando aplico 6300V en el primario en el secundario en vaco tengo 230V. Las corrientes nominales de los bobinados primarios y secundarios son: 100000/6300 y 100000/230 Ampere respectivamente.Los datos de chapa de los grandes transformadores tienen mayor informacin dando: impedancia de cortocircuito, sobreelevacin de temperatura, diagrama de conexin, peso, clase de aislamiento, forma de enfriamiento etc.

5. RELACIONES FUNDAMENTALESLa relacin de transformacin indica el aumento o decremento que sufre el valor de la tensin de salida con respecto a la tensin de entrada, esto quiere decir, la relacin entre la tensin de salida y la de entrada.La relacin entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al nmero de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) , segn la ecuacin:

La relacin de transformacin (a) de la tensin entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los nmeros de vueltas que tenga cada uno. Si el nmero de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habr el triple de tensin.

Dnde: (Vp) es la tensin en el devanado primario o tensin de entrada, (Vs) es la tensin en el devanado secundario o tensin de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario o corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario o corriente de salida.

A estas relaciones la llamaremos relacin de transformacin, la cual puede adoptar los siguientes valores: a > 1 La tensin aplicada es superior a la tensin en el secundario, el tipo de transformador es reductor de tensin. a < 1 La tensin aplicada es inferior a la tensin en el secundario, el tipo de transformador es elevador de tensin. a = 1 Las dos tensiones son iguales, y se lo utiliza para aislar tensiones en sistemas de proteccin o medicin.

6. POLARIDADLa polaridad de los transformadores indica el sentido relativo instantneo del flujo de corriente en los terminales del devanado primario con respecto a la direccin del flujo de corriente en los terminales del devanado segundario. La polaridad de un transformador monofsico puede ser aditiva o sustractiva.Polaridad Aditiva.La polaridad aditiva se da cuando en un transformador el bobinado secundario est arrollado en el mismo sentido que el bobinado primario. Esto hace que los flujos de los dos bobinados giren en el mismo sentido y se sumen.Los terminales H1 y X1 estn cruzados. Ver diagrama.

Polaridad Sustractiva.La polaridad sustractiva se da cuando en un transformador el bobinado secundario esta arrollado en sentido opuesto al bobinado primario. Esto hace que los flujos de los dos bobinados giren en sentidos opuestos y se resten.Los terminales H1 y X1 estn en lnea. Ver diagrama.

7. CIRCUITO EQUIVALENTE Es una representacin esquemtica de un transformador en el cual se pueden estudiar las caractersticas elctricas del mismo en condiciones experimentales. Mediante un circuito equivalente es posible determinar experimentalmente los valores de las resistencias e inductancias del modelo del trasformador. Una aproximacin adecuada para estos valores se puede lograr con solo dos ensayos: el ensayo de circuito abierto y el ensayo de cortocircuito.Ensayo de circuito abiertoEn el ensayo de circuito abierto, se deja abierto el devanado segundario del transformador y el devanado primario se conecta al voltaje pleno nominal. Observe el circuito equivalente de la figura N4, en las condiciones descritas, toda la corriente de entrada debe fluir a travs de la rama de excitacin del transformador. Los componentes en serie RP y XP son tan pequeas, comparadas con RC y XM para ocasionar una cada significativa del voltaje que, esencialmente, todo el voltaje de entrada cae a travs de la rama de excitacin.Figura N 4 a) modelo de transformador referido a su nivel de voltaje primario. B) modelo de transformador referido a su nivel de voltaje segundario

La figura N 5 muestra las conexiones para la prueba de circuito abierto. Se aplica el voltaje pleno al primario del transformador y se mide el voltaje, la corriente y la potencia de entrada al transformador. Con esta informacin es posible determinar el factor de potencia, la magnitud y el ngulo de la impedancia de excitacin.Figura N 5 Conexin para prueba de circuito abierto del transformador.

Ensayo de cortocircuito En el ensayo de cortocircuito los terminales del segundario del transformador se cortocircuitan y los del primario se conectan a una fuente adecuada de voltaje, como se muestra en la figura N 6. El voltaje de entrada se ajusta hasta que la corriente de los devanados cortocircuitados sea igual a su valor nominal (asegrese de mantener el voltaje primario en un nivel seguro. No es buena idea quemar los devanados del transformador mientras se intenta probarlo). De nuevo, se mide el voltaje, la corriente y la potencia de entrada.Puesto que el voltaje de entrada es tan pequeo durante la prueba, la corriente que fluye por la rama de excitacin es despreciable. Si la corriente de excitacin se ignora, toda la cada de voltaje en el transformador puede ser atribuida a los elementos de circuito en serie.Figura N 6 Conexin para prueba de cortocircuito.

Rendimiento Los transformadores son comparados y juzgados por su rendimiento. El rendimiento de un aparato est definida por la ecuacin

Estas ecuaciones se aplican a los motores, los generadores y tambin a los transformadores.Los circuitos equivalentes del transformador facilitan los clculos de eficiencia. Existen tres tipos de prdidas en los trasformadores:1. Perdidas en el cobre (I2 R). estas prdidas son causadas por la resistencia en serie del circuito equivalente.2. Perdidas por histresis. Estas prdidas son causadas por la resistencia RC.3. Perdidas por corrientes Parasitas. Estas prdidas son causadas por la resistencia RC.Para calcular la eficiencia de un transformador en una carga dada, adicione las prdidas de cada resistencia y aplique la ecuacin anterior. Puesto que la potencia de salida est dada por:

La eficiencia del transformador puede ser expresada por:

CONCLUSIN

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS Stephen Chapman, Maquinas Elctrica, Tercera edicin Mxico McGraw Hill. Principio de funcionamiento de un transformador de potencia. [Pgina web en Lnea]. Disponible en: http://www.unicrom.com/Tut_principio_funcionamiento_transformador_potencia.asp Polaridad de un transformador elctrico. [Pgina web en Lnea]. Disponible en: http://www.unicrom.com/Tut_polaridad_transformador.asp

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