Transformadores

Energía eléctrica. Electricidad. Máquinas. Transformación. Potencia. Refrigeración. Aislamiento. Calentamiento. Disipación de calor. Devanados

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Conceptos Fundamentales

Durante el transporte de la energía eléctrica se originan pérdidas que dependen de su intensidad. Para reducir estas perdidas se utilizan tensiones elevadas, con las que, para la misma potencia, resultan menores intensidades.
Por otra parte es necesario que en el lugar donde se aplica la energía eléctrica, la distribución se efectúe a tensiones más bajas y además se adapten las tensiones de distribución a los diversos casos de aplicación.
La preferencia que tiene la corriente alterna frente a la continua radica en que la corriente alterna se puede transformar con facilidad.
La utilización de corriente continua queda limitada a ciertas aplicaciones, por ejemplo, para la regulación de motores. Sin embargo, la corriente continua adquiere en los últimos tiempos una significación creciente, por ejemplo para el transporte de energía a tensiones extra-altas.
Para transportar energía eléctrica de sistemas que trabajan a una tensión dada a sistemas que lo hacen a una tensión deseada se utilizan los transformadores.
A este proceso de cambio de tensión se le "llama transformación".
El transformador. es un dispositivo que convierte energía eléctrica de un cierto nivel de voltaje, en energía eléctrica de otro nivel de voltaje, por medio de la acción de un campo magnético. Esta constituido por dos o más bobinas de alambre, aisladas entre si eléctricamente por lo general y arrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético.
El arrollamiento que recibe la energía eléctrica se denomina arollamiento de entrada, con independencia si se trata del mayor (alta tensión) o menor tensión (baja tensión).
El arrollamiento del que se toma la energía eléctrica a la tensión transformada se denomina arrollamiento de salida. En concordancia con ello, los lados del transformador se denominan lado de entrada y lado de salida.

El arrollamiento de entrada y el de salida envuelven la misma columna del núcleo de hierro. El núcleo se construye de hierro por que tiene una gran permeabilidad, o sea, conduce muy bien el flujo magnético.

En un transformador, el núcleo tiene dos misiones fundamentales:

  • Desde el punto de vista eléctrico -y esta es su misión principal- es la vía por que discurre el flujo magnético. A través de las partes de la culata conduce el flujo magnético siguiendo un circuito prescrito, de una columna a otra.

  • Desde el punto de vista mecánico es el soporte de los arrollamientos que en él se apoyan.

  • Para generar el flujo magnético, es decir, para magnetizar el núcleo de hierro hay que gastar energía eléctrica. Dicha energía eléctrica se toma del arrollamiento de entrada.

    El constante cambio de magnetización del núcleo de hierro origina pérdidas. Estas pérdidas pueden minimizarse eligiendo tipos de chapa con un bajo coeficiente de pérdidas.

    Además, como el campo magnético varía respecto al tiempo, en el hierro se originan tensiones que dan orígenes a corrientes parásitas, también llamadas de Foucault. Estas corrientes, asociadas con la resistencia óhmica del hierro, motivan pérdidas que pueden reducirse empleando chapas especialmente finas, de unos 0.3 mm de espesor, aisladas entre sí (apiladas)

    En cambio, en un núcleo de hierro macizo se producirían pérdidas por corrientes parásitas excesivamente grandes que motivarían altas temperaturas. Una vez descritos los dos principales componentes, va a tomar conocimiento del principio de la transformación:

    El flujo magnético, periódicamente variable en el tiempo, originado por la corriente que pasa a través del arrollamiento de entrada induce en el arrollamiento de salida una tensión que varía con la misma frecuencia.

    Su magnitud depende de la intensidad y de la frecuencia del flujo así como del número de vueltas que tenga el arrollamiento de salida, como se ve en la siguiente formula (ley de la inducción).

    E = 4.44 * 10-8 * aC * B * f * N

    En la que aC = sección del núcleo en pulgadas cuadradas, B = densidad máxima del flujo en líneas por pulgada cuadrada, E = tensión eficaz, f = frecuencia en Hz y N = número de espiras del devanado, o bien 10-9 *  aC * B * f * N, expresando aC y B en cm2.

    TRANSFORMADOR IDEAL

    Un transformador ideal es un artefacto sin pérdidas, con una bobina de entrada y una bobina de salida. Las relaciones entre los voltajes de entrada y de salida, y entre la corriente de entrada y de salida, se establece mediante dos ecuaciones sencillas. La figura l muestra un transformador ideal.

     

    'Transformadores'

    'Transformadores'

    Figura 1. a) Esquema de un transformador ideal. b) Símbolos esquemáticos de un transformador ideal.

    En el transformador que se muestra en la figura 1 tiene NP espiras de alambre sobre su lado primario y NS de espiras de alambre en su lado secundario. La relación entre el voltaje VP(t) aplicado al lado primario del transformador y el voltaje VS(t) inducido sobre su lado secundario es

    VP(t) / VS(t) = NP / NS = a

    En donde a se define como la relación de espiras del transformador

    a = NP / NS

    La relación entre la corriente ip(t) que fluye en el lado primario del transformador y la corriente is(t) que fluye hacia fuera del lado secundario del transformador es

    NP * iP(t) = NS * iS(t)

    iP(t) / iS(t) = 1 / a

    En términos de cantidades fasoriales, estas ecuaciones son

    VP / VS = a

    IP / IS = 1 / a

    Nótese que el ángulo de la fase de VP es el mismo que el ángulo de VS y la fase del ángulo IP es la misma que la fase del ángulo de IS. La relación de espiras del transformador ideal afecta las magnitudes de los voltajes y corrientes, pero no sus ángulos.

    Las ecuaciones anteriores describen la relación entre las magnitudes y los ángulos de los voltajes y las corrientes sobre los lados primarios y secundarios del transformador, pero dejan una pregunta sin respuesta: dado que el voltaje del circuito primario es positivo en un extremo especifico de la espira, ¿cuál seria la polaridad del voltaje del circuito secundario?. En los transformadores reales seria posible decir la polaridad secundaria, solo si el transformador estuviera abierto y sus bobinas examinadas. Para evitar esto, los transformadores usan la convección de puntos. Los puntos que aparecen en un extremo de cada bobina en la figura1 muestran la polaridad del voltaje y la corriente sobre el lado secundario del transformador. La relación es como sigue:

    1.- Si el voltaje primario es positivo en el extremo punteado de la bobina con respecto al extremo no punteado, entonces el voltaje secundario será también positivo en el extremo punteado. Las polaridades de voltaje son las mismas con respecto al punteado en cada lado del núcleo.

    2.- Si la corriente primaria del transformador fluye hacia dentro del extremo punteado de la bobina primaria, la corriente secundaria fluirá hacía afuera del extremo punteado de la bobina secundaria.

     

    Potencia en un transformador ideal

    La potencia suministrada al transformador por el circuito primario se expresa por medio de la ecuación

    Pent = VP * IP * cos  P

    En donde  p es el ángulo entre el voltaje y la corriente secundaria. La potencia que el circuito secundario suministra a sus cargas se establece por la ecuación:

    Psal = VS * IS * cos  S

    En donde  s es el ángulo entre el voltaje y la corriente secundarios. Puesto que los ángulos entre el voltaje y la corriente no se afectan en un transformador ideal,  p= s= . Las bobinas primaria y secundaria de un transformador ideal tienen el mismo factor de potencia.

    ¿Cómo se compara la potencia que va al circuito primario del transformador ideal, con la potencia que sale por el otro lado?

    Es posible averiguarlo por medio de las ecuaciones de voltaje y corriente. La potencia que sale de un transformador es:

    Psal = VS *IS* cos 

    Aplicando las ecuaciones de relación de espiras nos resulta Vs = Vp / a y   Is = a * Ip así que

    Psal = (VP/a) * a * IP * cos 

    Psal = VP * IP * cos  = Pent

    De donde, la potencia de salida de un transformador ideal es igual a su potencia de entrada.

    La misma relación se aplica a la potencia reactiva Q y la potencia aparente S.

    Qent = VP *IP *sen  = VS *IS *sen  = Qsal

    Sent = VP *IP = VS *IS = Ssal

     

    REFRIGERACION Y AISLAMIENTO

    AISLAMIENTO

    Los sistemas de aislamiento. usados en transformadores de potencia comprenden sistemas líquidos y sistemas gaseosos. En ambos casos se usa también algo de aislamiento sólido. Los sistemas líquidos incluyen aceite, que es el más usado, y askarel, que se usa para evitar la combustibilidad. Los sistemas gaseosos incluyen nitrógeno, aire y gases fluorados (por ejemplo, exafluoruro de azufre. Los gases fluorados se usan para evitar la combustibilidad y limitar los efectos secundarios de defectos internos.

    El aislamiento principal separa el devanado de alta tensión del devanado de baja tensión. Este aislamiento soporta la tensión más elevada y ocupa el espacio más limitado; por esta razón, generalmente funciona con las solicitaciones más elevadas. Según la construcción, puede utilizarse el aislamiento de capas o el aislamiento de bobinas entre las distintas secciones de los devanados. El aislamiento de espiras se aplica a cada cable del conductor o a grupos de cables que formen una espira única.

    Transformadores con aislamiento de aceite. El bajo costo, la elevada rigidez dieléctrica y la posibilidad de recuperación aun después de estar sometidos a solicitaciones dieléctricas excesivas, hacen del aceite mineral el material aislante más ampliamente usado en transformadores. El aceite se refuerza con aislamientos sólidos de varias maneras.

    El aislamiento principal, generalmente presenta barreras de aislamiento sólido alternando con espacios con aceite. El esfuerzo sobre el aceite es del 50 al 100% superior que el esfuerzo sobre el aislamiento sólido, debido a la constante dieléctrica relativamente baja del aceite. Por consiguiente, la solicitación del aceite limita la rigidez de la estructura. Los pequeños conductos de aceite pueden soportar solicitaciones más altas que los grandes conductos. Así barreras sólidas, convenientemente espaciadas, permiten una mejor utilización del espacio.

    El aislamiento entre bobinas adyacentes generalmente es sólido, para proporcionar un soporte mecánico y dar una rigidez dieléctrica relativamente elevada respecto a las tensiones transitorias elevadas de corta duración. El aislamiento sólido a veces se usa entre capas de un devanado o entre devanados.

    El aislamiento sólido de gran espesor se usa en los terminales de alta tensión en zonas de concentración de esfuerzos dieléctricos. La constante dieléctrica relativamente elevada del material sólido hace que la solicitación del sólido sea sólo la mitad o las dos terceras partes de la que habría si el aceite ocupara el mismo espacio.

    La mayoría de materiales de aislamiento sólido usados en los transformadores de potencia son porosos, permitiendo eliminar, mediante el vacío, los gases y agua vaporizada, así como conseguir el relleno de todas las cavidades e intersticios con aceite. Cualquier pequeña cantidad de gas dejada inadvertidamente en el campo dieléctrico sufre una elevada solicitación dieléctrica (dos veces la que tendría el aceite) debido a la baja constante dieléctrica del gas. Como el gas encerrado, además de estar sometido a esfuerzos dieléctricos elevados, tiene una rigidez dieléctrica baja como consecuencia se tiene una pérdida importante de rigidez dieléctrica.

    Los materiales sólidos usados frecuentemente, incluyen el papel impregnado con aceite, el papel impregnado con resinas, el cartón prensado, el algodón, la madera tratada con aceite al vacío y los esmaltes.

    Los transformadores con aislamiento de askarel. tienen construcciones similares a los transformadores con aislamiento de aceite. La constante dieléctrica relativamente elevada del askarel ayuda a transferir los esfuerzos dieléctricos a los elementos sólidos. El askarel tiene una posibilidad limitada de recuperarse después de haber estado sometido a solicitaciones dieléctricas excesivas y por ello la rigidez está limitada en campos eléctricos no uniformes. Los askarel se usan raramente por encima de las tensiones de funcionamiento de 34,5 kV. Los askarel son disolventes potentes y el material usado con ellos debe seleccionarse cuidadosamente, para evitar daño al material o contaminación del askarel.

    Transformadores aislados mediante gases de flúor. Los gases de flúor tienen mejor rigidez dieléctrica y mayor capacidad de transferencia de calor que el nitrógeno o el aire. Tanto la rigidez dieléctrica como la capacidad de transferencia de calor aumentan con la densidad y los transformadores a base de gas flúor funcionan por encima de la presión atmosférica, en algunos casos hasta una presión calibrada de 3 atmósferas. El aislamiento de gas está.reforzado con aislamiento sólido usado en forma de barreras, aislamientos de capa, aislamiento de espira y aislamiento de terminales.

    Generalmente resulta económico hacer funcionar los transformadores con aislamiento de gas flúor a temperaturas más elevadas que los transformadores aislados con aceite. Entre los materiales aislantes sólidos adecuados, se incluyen el vidrio, el amianto, la mica, las resinas para temperaturas elevadas, la cerámica, etc.

    La solicitación dieléctrica sobre el gas es varias veces superior a la solicitación sobre el aislamiento sólido adyacente, en serie, de la estructura dieléctrica. Se necesita un cuidado especial al proyectar para evitar someter el gas a solicitaciones excesivas. Se ha usado el exafluoruro de azufre en transformadores con potencias nominales de hasta 25000 kVA y hasta 138 kV.

    Los transformadores con aislamiento de nitrógeno y de aire. están generalmente limitados a tensiones de funcionamiento de 15 kV y menores. Los transformadores con aislamiento de aire en sitios limpios, frecuentemente se ventilan a la atmósfera. En atmósferas contaminadas se necesita una construcción estanca y de ordinario se usa el nitrógeno a una presión aproximadamente igual a la atmosférica y a una temperatura de funcionamiento algo elevada.

     

    REFRIGERACION

    La eliminación del calor. provocado por las pérdidas, es necesario para evitar una temperatura interna excesiva que podría acortar la vida del aislamiento. Los siguientes temas cubren el procedimiento para calcular la temperatura interna de los transformadores de gran potencia, auto refrigerados con aislamiento de aceite, de construcción normal de tipo columna en los que se emplean radiadores.

    La temperatura media. de un devanado es la temperatura determinada midiendo la resistencia en c.c. del devanado y comparándola con la medida obtenida anteriormente para una temperatura conocida. El calentamiento medio de un devanado por encima de la temperatura ambiente es

    U=B+E+N+T (1)

    en la que B = calentamiento efectivo en °C del aceite respecto del ambiente, E = calentamiento medio en ° C del aceite respecto a la efectiva del aceite, N = calentamiento en ° C de la superficie media de la bobina respecto a la temperatura media del aceite, T = calentamiento en ° C del conductor respecto a la superficie de la bobina, y U = calentamiento en ° C del conductor medio respecto al ambiente.

    La temperatura efectiva del aceite es la temperatura uniforme equivalente con igual capacidad para disipar el calor al aire. La temperatura efectiva del aceite es aproximadamente la media de la del aceite que entra en la parte superior del radiador y la del aceite que sale por la parte baja del radiador. La temperatura del aceite es aproximadamente la misma que la temperatura de la superficie adyacente del radiador expuesta al aire. Una superficie lisa y vertical de la cuba del transformador disipará calor al aire de la siguiente manera:

    DB = 1.40 * 10-3 B1.25 + 1.75 * 10-3(1 + 0.011A)B1.19 (2)

    en la que A = temperatura ambiente en °C, B = aumento efectivo en °C del aceite respecto al ambiente, y DB = Watts por pulgada cuadrada disipados al aire, o bien expresando DB en W/cm2.

    DB = (B1.25/100) + ((1 +,0,011A)B1.19/100)

    El primer término de la ecuación (2) se refiere al calor transferido por convección. Generalmente el radiador consta de tubos aplanados paralelos con accesibilidad limitada para el aire de refrigeración y, por consiguiente, es necesario multiplicar el primer término por un factor de rozamiento determinado experimentalmente (menor que 1).

    El segundo término de la ecuación (2) se refiere al calor transferido por radiación, suponiendo una emisibilidad a baja temperatura de 0,95, aplicable a la mayoría de las superficies pintadas que se encuentran normalmente. Para cualquier otro valor de emisibilidad a baja temperatura, este término debe multiplicarse por la emisibilidad / 0,95. Generalmente el radiador consta de tubos aplanados en paralelo que radian calor de uno a otro. La radiación neta de calor puede determinarse considerando el transformador y los radiadores reemplazados por una superficie envolvente convexa. Si el segundo término de la ecuación (2) se multiplica por la relación entre el área de la superficie envolvente y el de la superficie real (menor que 1), se elimina el efecto de la reabsorción de la radiación. Cuando la radiación es pequeña comparada con la convención, puede suponerse que A = 25 ° C y que B1.19 puede reemplazarse por 0,79B1.25, y la ecuación (2) se convierte en

    B = (100DB0.8) / (0.44F + 0.56V)0.8 °C (3)

    en donde V = relación entre el área de la superficie envolvente y el de la superficie real y F = factor de rozamiento determinado experimentalmente.

    El calentamiento medio del aceite respecto al efectivo, E, normalmente se desprecia en los proyectos de transformadores. Puede llegar a ser importante sí:

    • El centro de gravedad de los radiadores no está suficientemente elevado por encima del centro de gravedad del núcleo y las bobinas,

    • Hay pérdidas poco corrientes en el espacio de aceite situado encima del núcleo, tales como las producidas por los terminales conductores de alta corriente,

    • Un devanado tiene conductos de aceite desusadamente restringidos

    • Se usan bombas para hacer circular el aceite por los radiadores sin canalizar el aceite bombeado a través de los conductores de aceite. En tales casos, E se calcula mejor por comparación con características de funcionamiento de proyectos anteriores.

    El calentamiento de la superficie media de la bobina respecto al medio del aceite, N, lleva las pérdidas en la bobina a través de una película de aceite fija hacia el aceite en movimiento. Para una bobina de galletas horizontales (eje vertical), la mayor parte del calor se escapa a través de la delgada película de aceite de la superficie superior y muy poco calor se escapa por la superficie inferior.

    En el supuesto de que todo el calor escapa por la superficie superior, el calentamiento es

    N = 13.2DNO.8 °C (4)

    en donde DN = Watts por pulgada cuadrada disipados de la bobina al aceite, o bien

    N = 2DN0.8 expresando DN en W por cm2

    Para una bobina de galletas verticales (eje horizontal), el calor sale igualmente por ambos lados, y

    N = 14DN °C o bien N = 2,2DN en W por cm2 (5)

     

    El calentamiento del conductor respecto a la superficie de la bobina, T, lleva el calor del cobre a través del aislamiento sólido aplicado al conductor y a la bobina,

    T = RTtDN °C (6)

    en donde DN = Watts por pulgada cuadrada disipados de la bobina al aceite, RT = grados centígrados por Watts por pulgada cuadrada de resistividad térmica, y t = pulgadas de longitud del camino.

     

    Los componentes del calentamiento del devanado respecto al ambiente se determinan a partir de las ecuaciones (3), (4) ó (5) y (6), usando los valores de los Watts por pulgada cuadrada, determinados a partir de las pérdidas calculadas y de la forma geométrica del proyecto. Entonces el calentamiento total viene determinado por la ecuación (1).

      Circulación del aceite. El aceite se mueve generalmente hacia arriba a través de los conductos del núcleo y de las bobinas, elevándose su temperatura al ir circulando. Generalmente se mueve hacia abajo, a través de los radiadores, disminuyendo la temperatura conforme baja

    DISIPACION DE CALOR

    Aun cuando el aire es un muy mal conductor del calor, todo cuerpo caliente sumergido en una atmósfera fría creará corrientes naturales de convección que ayudaran materialmente a la refrigeración. La cantidad de calor disipada por la convección natural del aire es del mismo orden de magnitud que la disipada por radiación, para diferencias de temperatura como las existentes ordinariamente en la maquinaria eléctrica. Sin embargo, utilizando corrientes forzadas de aire u otros gases, o utilizando fluidos tales como el aceite y el agua que tienen una capacidad calorífica (en volumen) mucho mayor que el aire, puede incrementarse mucho la disipación de calor.

    La cantidad de calor extraída por la convección natural en el aire es función no lineal del tamaño, forma, material de la superficie, condición y orientación del cuerpo caliente; de su temperatura y de la del aire que le rodea; y del carácter de sus alrededores especialmente en lo que puede afectar a la circulación libre de las corrientes de aire. Es evidente que no puede existir constantes de la convección general, ya que las relaciones no son lineales.

    En general, los cuerpos más pequeños son capaces de disipar más calor por centímetro cuadrado debido a ejercer un efecto menor sobre la temperatura del aire local por parte de otras porciones del cuerpo caliente. El aire al que se halla expuesto el centro de una placa cuadrada caliente de un metro de lado está caliente a causa de la gran superficie caliente adyacente; una superficie pequeña a igual temperatura dispondría de mucho más aire fresco para extraer el calor, siendo iguales las demás cosas.

    El calor extraído mediante ventilación forzada varía casi linealmente con la velocidad, para velocidades de hasta 1500 metros por minuto, y más despacio para velocidades mayores. En los tubos largos o conductos de refrigeración, el aire es más frío a la entrada y por ello la disipación de calor por centímetro cuadrado de superficie del conducto disminuye al aumentar la longitud, siendo iguales las demás condiciones. Debido a la no linealidad de la variación de la disipación con la forma, tamaño y longitud del conducto, así como con la velocidad, los datos de refrigeración utilizables requieren para su presentación adecuada varias familias de curvas. Estas pueden encontrarse en diversos libros de diseño de maquinaria eléctrica.

    DEVANADOS

    Hay dos formas típicas de bobinados para transformadores los cilíndricos y planos. Los núcleos, con su forma, son los que determinan la elección de uno u otro tipo, salvo que se requieran propiedades especiales, como ser baja capacidad distribuida, para uso en telecomunicaciones u otros.

  • Bobinado cilíndrico: este tipo se usa cuando el núcleo del transformador es del tipo núcleo.

  • Bobinado plano: este tipo se usa cuando el núcleo del transformador es del tipo acorazado.

  • Los dos bobinados primario y secundario, rara vez se apartan en dos simples grupos de espiras, encimándolas; generalmente se apartan en dos partes o más envueltas uno encima del otro, con el embobinado de baja tensión en la parte interna. Dicha conformación sirve para los siguientes propósitos.

  • Simplifica el problema de aislar el embobinado de alto voltaje del núcleo.

  • Causa mucho menos filtración de flujo, como seria el caso si los 2 embobinados estuvieran separados por alguna distancia del núcleo.

  • Mejora la refrigeración.

  • Los materiales aislantes para el bobinado, o para colocar entre capas, son: papel barnizado, fibra, micanita, cinta impregnada, algodón impregnado, etc., para transformadores con bobinados al aire, y para los sumergidos en baños de aceite, se utilizan los mismos materiales sin impregnarse; debe evitarse el uso del caucho en los transformadores en baño de aceite, pues este lo ataca, y tiene efectos nocivos también sobre la micanita y aun sobre los barnices.

    Las piezas separadoras entre bobinados, secciones, o entre estas y el núcleo pueden ser de madera, previamente cocida en aceite, aunque actualmente se prefieren los materiales duros a base de papel o similares (pertinax, etc.). Si se usa madera, no debe interpretarse como que se dispone de aislamiento, sino solamente de un separador.

    En cuanto a los conductores para hacer bobinas, su tipo depende de la sección, pues hasta 6mm² pueden usarse alambre y más arriba de ese límite se usan cables de muchos hilos, o bien cintas planas, para facilitar el bobinaje. El aislamiento para los conductores puede ser algodón, que luego se impregnará si no se emplea baño de aceite. Para transformadores de soldadura que trabajan con tensiones muy bajas y corrientes muy fuertes, se suelen colocar las cintas de cobre sin aislante, pues la resistencia de contacto entre ellas es suficiente para evitar drenajes de corriente. Esta situación mejora aún debido a la oxidación superficial del cobre.

    BIBLIOGRAFÍA

    M.I.T., Circuitos Magnéticos y Transformadores, Reverté, Buenos Aires 1981.

    Manual práctico de electricidad para ingenieros, Fink, Donald G

    Francisco L. Singer, Transformadores Industriales, Neotécnica, Buenos Aires 1976.

    Herbert Nessler & Friedrich Stadelmeier, Constitución y Funcionamiento del Transformador, Siemens Aktiengesellschaft, Berlín 1988.

    Stephen J. Chapman, Máquinas Eléctricas (2° edición), McGraw-Hill,1993.