. Introducción:

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de voltaje, en energía eléctrica de otro nivel de voltaje por medio de la acción de un campo magnético. Suele estar constituido por dos o más bobinas de alambre, eléctricamente aisladas entre sí y por lo general arrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión entre las bobinas por tanto la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo.

En su funcionamiento, uno de los devanados del transformador se conecta a una fuente de potencia de corriente alterna, y el segundo devanado es el encargado de transmitir esa potencia eléctrica a las cargas. Normalmente al devanado que se conecta a la fuente se le llama “primario”, y al que se conecta a las cargas “secundario”. En algunos casos el transformador puede llevar mas de dos devanados.

La función mas importante de esta maquina es la de la transmisión de potencia, la cual en términos ideales cumple que:

El transformador surgió a partir de la necesidad de transportar la energía eléctrica de un lugar a otro, ya que al principio se empleaban voltajes de generación muy bajos, se requería de intensidades muy elevadas para suministrar magnitudes significativas de potencia, por lo que las caídas de voltaje eran considerables. Como hemos dicho antes, un transformador puede elevar el voltaje de un circuito a costa de disminuir su corriente. Por lo mismo, la potencia eléctrica de corriente alterna permite que sea generada en una central, que luego sea elevada (su tensión) para su transporte a través de las líneas, y después sea disminuida para su utilización final.

Tipos de transformadores:

El propósito principal de un transformador es convertir energía de ca de un nivel de voltaje en energía de ca de una misma frecuencia pero a otro nivel de voltaje. También se utilizan transformadores para otra variedad de propósitos tales como la toma de muestras de corriente o voltaje para medición, como acoplador de impedancias, puede usarse en circuitos de la técnica de la comunicación...

Clasificación:

Por los sistemas de tensiones se clasifican en monofásicos, trifásicos, trifásicos-hexafásicos, trifásicos-dodecafásicos, trifásicos-monofásicos, ...

Según aumenten o disminuyan la tensión se denominan transformadores elevadores (TE) o transformadores reductores (TR).

Según el medio ambiente para el que estén preparados se clasifican en transformadores para interior o para interperie.

De acuerdo con el elemento refrigerante que requieran, en transformadores en seco, en baño de aceite, con pyraleno...

Según puedan proporcionar permanentemente su potencia nominal con refrigerante natural o no, se distinguen transformadores con refrigeración natural o con refrigeración forzada.

Designaciones y simbolismos:

El devanado del transformador que recibe mayor tensión recibe el nombre de “devanado de alta” (AT) y el de menor tensión “devanado de baja”, se debe tener en cuenta que estos conceptos no coinciden necesariamente con los devanados primario y secundario.

Algunos de los símbolos para la representación del transformador son:

Los dos primeros símbolos corresponden a transformadores del tipo monofásico, mientras que el tercero corresponde al símbolo de un transformador trifásico.

Constitución de un transformador monofásico.

En un transformador monofásico existen 2 circuitos eléctricos (primario y secundario), y un circuito magnético que es el verdadero “conductor” del flujo. Las posiciones de los devanados alrededor del núcleo pueden ser varias, ej. :

Secciones transversales de diversos tipos de transformadores (núcleo y devanados)

. Circuito magnético

Los núcleos de los transformadores están construidos de chapas ferromagnéticas eléctricamente aisladas entre sí. La chapa suele estar constituida por una aleación de acero y silicio (éste entre cantidades del 3% - 5%). La misión del silicio es la disminuir las pérdidas por histéresis y la de evitar el envejecimiento en el núcleo.

La chapa magnética normal se lamina en caliente. Aunque ahora la llamada chapa magnética de grano orientado o laminada en frío (ésta normalmente tiene una menor proporción de silicio, y su acero es más puro). Los cristales de las chapas laminadas en frío tienden a orientarse, mejorando las características magnéticas del material, consiguiéndose unos altos valores de permeabilidad magnética. Además en campos alternativos, las pérdidas son mínimas.

Actualmente, en la fabricación de transformadores, se emplea, casi de forma exclusiva, la chapa magnética de grano orientado. El espesor de las chapas es de unos 35 mm. Las pérdidas en el núcleo suelen darse en vatios por kilo de material, refiriéndose en la mayor parte de los casos a 1 Tesla, o a 1,5 Teslas. Los transformadores de chapa magnética ordinaria, suelen tener unas pérdidas de entre 0,8 y 1,3 W/Kg (1 T). La chapa de grano orientado tiene unos valores referidos a 1 T de entre 0,4 y 05 W/Kg, mientras que a 1,5 T son del orden de 1 a 1,2 W/Kg.

La chapa de grano orientado nos da por tanto la oportunidad de reducir las pérdidas en el núcleo, o de reducir peso (dado que las pérdidas serán menores, no necesitaremos tanto material en el núcleo), o bien conseguir relativamente los dos objetivos a la vez.

El aislamiento de las chapas magnéticas puede ser de varios tipos. En general, antes se usaba el papel, que se pegaba en las caras de la chapa. Más tarde se uso barniz (silicato sódico). Actualmente, las chapas de grano orientado llevan un tratamiento termoquímico especial (“carlite”), que proporciona el aislamiento necesario. Es de una especial mención el llamado “factor de relleno”, que es el cociente entre la sección de hierro y la del núcleo en total. Factores de relleno en núcleos para transformadores (chapas de 035 mm):

.Papel (una cara) . . . . . . . . . . . .0,88

.Silicato de sodio (una cara). . . .0,90

.”Carlite” (dos caras) . . . . . . . . .0,95 - 097

Como veremos existe una razón de conveniencia para que los arrollamientos tengan forma circular. Así, lo lógico sería que las chapas del núcleo tuviesen también esta forma, sin embargo, esto no es fácil desde el punto de vista de la confección del núcleo. En transformadores de grandes potencias lo que se hace es dejar huecos mayores entre las chapas (con lo cual logramos además unos canales de refrigeración), además de hacerlas a distintos tamaños, para que el núcleo tenga una forma que se adapte mejor a la forma circular de las bobinas

.Arrollamientos. Circuitos electrocinéticos.

Lo más importante en cuanto a los arrollamientos es su número de espiras, quedando en un segundo plano, la forma de sus espiras y la disposición de sus arrollamientos.

Presentaremos ahora dos tipos de disposiciones constructivas:

Las espiras de un transformador suelen tener una disposición circular, ya que en el caso de que una corriente elevada (como p.ej. una corriente de cortocircuito) recorriese las espiras, se producirían esfuerzos dinámicos de consideración debido a las fuerzas de repulsión que se generarían.

Se pueden asimilar a dos corrientes con direcciones paralelas y sentidos contrarios que generan esfuerzos dinámicos de repulsión. Por tanto, si la bobina no hubiese tenido, forma circular, los esfuerzos dinámicos tendrían que dársela. Aunque esto no es mas que una idea simple de lo que sucede, ya que hay que considerar todas las espiras a la vez (primario y secundario). Todas las corrientes se afectan dinámicamente. Así, en el caso de arrollamientos concéntricos, se producen esfuerzos radiales que tienden a comprimir las espiras del arrollamiento interno y a extender las del externo.

Todo esto justifica la preferencia que existe a hacer las espiras con forma circular, ya que son las que mejor soportan estos esfuerzos.

.Otros tipos de arrollamientos

Lo normal en la fabricación de transformadores es que los arrollamientos sean de cobre, pero ahora veremos unos constituidos a base de banda de aluminio, o de folio. En el caso de los arrollamientos a base de folios, el ancho de cada espira es igual al de la bobina. Folio o banda se arrollan conjuntamente con otro folio de material aislante. Los arrollamientos de alta tensión suelen ser a base de folios, y frecuentemente suelen estar constituidos por varias bobinas en serie. Por el contrario, los de baja tensión a base de banda de aluminio, suelen tener el ancho de la ventana del núcleo.

Estos transformadores se construyen con refrigeración de aceite, o bien en seco. En estos transformadores en seco, los arrollamientos pueden estar aislados y con un alto grado de impermeabilidad gracias a la acción de una colada con resinas. De esta forma aparece un nuevo transformador, muy útil por su protección total frente a la humedad. Estos transformadores en seco, folioresina, son algo más caros, pero los refrigerados con aceite pueden tener costes parecidos a los clásicos a base de cobre (según la relación cobre-aluminio en el mercado).

.Refrigeración

Las pérdidas en los devanados, en el núcleo, y en otros elementos motivan el calentamiento del transformador, los cuales, hemos de evitar. Los principales medios refrigerantes que se utilizan, en contacto con los arrollamientos, son el aire y aceite mineral (también sustituido a veces por otros líquidos incombustibles como el pyraleno).

El uso del aceite, frente al aire, está justificado dado que tiene una mejor conductividad térmica y posee un mayor calor específico. La función del aceite es doble, actúa como aislante y como agente refrigerante. La rigidez de los aceites usados suele ser del orden de los 200 kV/cm. Básicamente se trata de una mezcla de hidrocarburos. El aceite cobra un especial interés en los casos en el que el transformador se vea sometido a sobrecargas pasajeras.

La parte activa del transformador suele ir sumergida en aceite, esta parte está en el interior de un tanque o caja. Esta caja puede tener una superficie de refrigeración considerable, compuesta por tubos, o con radiadores adosados. Este sistema de refrigeración, puede efectuarse por convección natural, o bien forzada (mediante ventiladores que activen la circulación en el caso de refrigeración por aire, y de bombas en el caso del aceite, que mediante un circuito cerrado puede a su vez enfriarse mediante la acción por ejemplo de otra circulación de agua).

La potencia de un transformador viene limitada por su valor máximo de calentamiento, por tanto, la ventilación forzada puede ser un medio eficaz para aumentar la potencia. Sin embargo, el principal problema de la refrigeración en los transformadores, y de las maquinas en general, aumenta en dificultad a medida que crecen las potencias. A medida que aumentan las potencias, la caja, los tubos de ventilación,... todo debe crecer. Existen también transformadores indicados para aquellos casos en que la máxima potencia sólo se suministra durante unas horas. En esas horas, se efectuará una ventilación forzada, mientras, en horario de servicio normal, sólo se necesita una ventilación natural.

- Conservación del aceite

El transformador es una maquina que apenas necesita mantenimiento. El elemento que requiere una mayor atención es el aceite. Los aceites minerales tienden a envejecer, a oxidarse. Estas alteraciones reducen las cualidades electrotécnicas del aceite. El aceite sufre alteraciones debido a la temperatura, la humedad, y al contacto con el oxígeno del aire. Apara minimizar el envejecimiento del aceite se disponen depósitos de expansión y conservadores de aceite. Al calentarse el aceite, éste se dilata, y fluye hacia el depósito de expansión. El depósito tendrá un nivel mínimo y un nivel máximo, para que así el contacto con el oxígeno del aire sea menor. En el tapón de llenado del aceite, además, se suele poner un conservador del aire, “silicagel”, el cual absorbe la humedad del nuevo aire que entra cuando el aceite se enfría.

- Otros dieléctricos

En algunas ocasiones, se sustituye el aceite por dieléctricos más resistentes al calor (askarel). Es España se usa el “pyraleno”. El pyraleno, no origina con el calor mezclas explosivas con el oxígeno. Es relativamente estable a temperaturas elevadas, es decir, no sufre alteraciones en contacto con el aire. Sin embargo es volátil y absorbe fácilmente la humedad. Debido a esto, los transformadores con pyraleno suelen constituirse sin “respiración”, dotándolos de un volumen de aire suficiente para que pueda compensar las variaciones de volúmenes, evitando grandes presiones. El pyraleno, es un gran disolvente de resinas, pinturas, grasas,... Por consiguiente su uso implica una construcción especial, sin los componentes anteriormente mencionados. No se mezclara el pyraleno con el aceite. Los transformadores de pyraleno son mas costosos, y también mas pesados. El arco eléctrico, además de gasificarlo, lo descompone, originando productos nocivos, aunque no explosivos.

Para transformadores pequeños (sin necesidad de refrigeración), se utilizan otros dieléctricos sólidos, tales como parafina y asfalto.

. Potencia nominal de un transformador

Cuando hablamos de potencia nominal de un transformador nos referimos a la potencia aparente (S). Por definición, la potencia nominal de un transformador monofásico, es el producto de su tensión nominal por la corriente nominal correspondiente. Tensiones y corrientes nominales son aquellos valores para los cuales ha sido proyectado.

El transformador, se calienta en virtud de las pérdidas en el hierro y en los arrollamientos. En términos usuales, se considera que un transformador podrá trabajar, en régimen permanente y en condiciones nominales (potencia, tensión, corriente y frecuencia), sin deterioro alguno (lo cual requiere que las distintas partes del transformador no excedan de ciertos límites). Esto no significa que la potencia no nominal de un transformador este ligada casi únicamente a las temperaturas máximas permisibles. Por diversas razones, puede desearse que un transformador cuyas temperaturas extremas (en condiciones nominales de servicio) queden por debajo de sus límites. Si esto ocurre, al transformador ha de dársele una potencia nominal inferior.

Debemos tener en cuenta que si los fluidos de refrigeración sobrepasan las temperaturas máximas, habrá que reducir el calentamiento normal de transformador, y para ello se deberá de reducir su potencia. Por ejemplo, si la temperatura del transformador es superior en 5ºC a la normal, habría que rebajar su potencia p.ej. al 92,5%, y si es en 10ºC, al 85% de su valor nominal.

Fundamentos, construcción, y propiedades de los transformadores.