camarillo vazquez villanueva
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UNIVERSIDAD VERACRUZANA
CAMPUS COATZACOALCOS
FACULTAD DE INGENIERA
NORMAS, INSTALACION, OPERACION Y MANTENIMIENTO DE LOS
TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCION
MONOGRAFIA:
QUE PARA APROBAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA:
EXPERIENCIA RECEPCIONAL DE LA CARRERA DE INGENIERA
MECANICA ELECTRICA
PRESENTAN:
C. UCIEL CAMARILLO BARRAGAN
C. DANIEL ALBERTO VAZQUEZ GARCIA
C. OSCAR DANIEL VILLANUEVA MAYO
DIRECTOR DE TESIS:
ING. CIRO CASTILLO PREZ
Coatzacoalcos, Veracruz 2010
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INTRODUCCIN
La presente monografa tiene como propsito plantear las bases fundamentales que
contribuyan a la mejor comprensin de los problemas que se presentan en el
ambiente de los transformadores distribucin, siguiendo las normas indicadas y que
favorezcan la toma correcta de decisiones. Asimismo, con el contenido de este
trabajo se pretende ofrecer una referencia de consulta a quienes en la prctica estn
involucrados con la adquisicin, construccin, reparacin y mantenimiento de
transformadores.
El trabajo est organizado en una primera parte de teora bsica que representa el
medio de comprensin o explicacin de una gran cantidad de situaciones de
operacin, de los equipos elctricos, principalmente los transformadores. Enseguida
se proporciona informacin sobre los elementos constructivos del transformador as
como de su comportamiento en condiciones transitorias de energizacin sin carga,
impulso de rayo y cortocircuito. Finalmente se conocer la normas aplicables a los
transformadores de distribucin ya bien sea monofsico o trifsico y los problemas
que se puedan presentar en el campo de aplicacin.
Este trabajo cuenta con conclusiones expuestas por los expositores, adems de una
amplia bibliografa.
Se espera que la informacin aqu proporcionada cumpla las expectativas del
interesado en mantener la continuidad de los sistemas y equipos elctricos,
particularmente, los transformadores de distribucin.
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JUSTIFICACION
Por medio de esta recopilacin de informacin pretendemos hacer una llegar a
generaciones futura en el rea y personas interesadas en el tema informaciones
claras y concisas en lo que es el tema de los transformadores de distribucin.
Por medio de este las personas interesadas podrn tener un aprendizaje claro y de
forma fcil ya que este detalla paso por paso desde como surgen los
transformadores, como fabricarlos, las ecuaciones que se usan en sus clculos, los
tipos de transformadores, sus formas de manejos y hasta las principales fallas que
puedan presentarse.
Este tema ser de gran utilidad para los estudiantes de electricidad, electrnica,
electromecnica y muchas reas tecnolgicas
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OBJETIVO GENERAL
Conocer las normas que aplican a los transformadores de distribucin, ya sea
monofsico o trifsico, adems de las condiciones de servicio requeridas y sus
especificaciones, tomando en cuenta las normas mexicanas que es lo que debe de
cumplir cualquier tipo de transformador de distribucin.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Conocer la teora general de los transformadores
Determinar los componentes internos de los transformadores
Accesorios de construccin de los transformadores
Saber la normatividad de los transformadores de distribucin
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INDICE
INTRODUCCIN 2
JUSTIFICACIN 3
OBJETIVO GENERAL 4
OBJETIVO ESPECFICOS 4
CAPITULO I
TEORIA GENERAL DE LOS TRANSFORMADORES
1.1 Conceptos bsicos de campo magntico 8
1.2 Principio del transformador 31
1.3 El transformador sin carga 34
1.4 Circuito equivalente del transformador sin carga 37
1.5 El transformador con carga 39
1.6 Conexiones trifsicas ms comunes 53
CAPITULO II
COMPONENTES INTERNOS DEL TRANSFORMADOR
2.1 El ncleo 65
2.2 Devanados de Transformadores 76
2.3 Aislamientos Internos 90
CAPITULO III
TANQUE Y ACCESORIOS DEL TRANSFORMADOR
3.1 Sistemas de preservacin de aceite 99
3.2 Accesorios en general 102
3.3 Dispositivos de alarma y sealizacin 108
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CAPITULO IV
NORMATIVIDAD DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCION
4.1 Normas en Mxico 114
4.1.2 Normas aplicables a transformadores de distribucin 115
4.1.3 Objetivo 116
4.1.4 Repaso de definiciones 116
4.1.5 Clasificacin 117
4.1.6 Condiciones generales de servicio 117
4.1.7 Temperatura ambiente 118
4.2 Especificaciones 121
4.2.1 Especificaciones elctricas 121
4.2.2 Especificaciones trmicas 135
4.2.3 Especificaciones de construccin interna 137
4.2.4 Especificaciones mecnicas 138
4.3 Manejo 139
4.3.1 Almacn 140
4.4 Instalacin 143
4.5 Operacin 147
4.6 Mantenimiento 150
4.6.1 Mantenimiento preventivo 151
4.6.2 Mantenimiento correctivo 153
4.6.3 Recubrimiento 159
CONCLUSIONES 161
BIBLIOGRAFA 162
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CAPITULO I
TEORIA GENERAL DE LOS
TRANFORMADORES
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1.1 Conceptos bsicos de campo magntico
Flujo magntico producido por corriente
As como una carga elctrica produce un campo de fuerzas elctricas, una corriente
elctrica (cargas en movimiento) produce un campo de fuerzas magnticas. Estas
fuerzas fueron descubiertas experimentalmente por Oersted, al colocar una brjula
alrededor de un alambre que llevaba corriente, figs. 1.1 (a) y (b). Observ que la
orientacin de la brjula defina trayectorias cerradas circulares. Estas trayectorias
definan lneas de lo que se conoce como flujo o campo magntico similares a las
producidos por un imn. A diferencia de las lneas de campo elctrico que van de
una carga positiva a una negativa, las lneas de flujo magntico siempre son
cerradas. La relacin entre el sentido de la corriente y la direccin del flujo magntico
que produce est determinada por la Regla de la mano derecha, segn se muestra
en la fig. 1.1 (c).
(a) (b)
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Fig. 1.1 Campo magntico imaginario
alrededor de un alambre que lleva
corriente. (a) Vista de frente. (b) Vista de
planta. (c) Regla de la Mano derecha,
sentido convencional del flujo magntico
respecto al de la corriente.
Permeabilidad de los materiales
De acuerdo con su estructura atmica los materiales presentan mayor o menor
facilidad para conducir flujo magntico. A esta propiedad se le llama permeabilidad
del material.
La permeabilidad se representa por la letra griega (mu) y guarda la relacin
siguiente:
= 0 r (1.1)
En donde 0 = Permeabilidad del espacio vaco
= 12.57 X 10-7. Se mide en Henry/metro (H/m)
r = Permeabilidad relativa. Es un nmero adimensional
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En general, la permeabilidad que se encuentra en textos o manuales de materiales
es la permeabilidad relativa. Ejemplos de sta son:
Material r
________________________________
Vaco 1.0
Aire 1.0
Parafina 1.0
Polietileno 1.0
Plata 1.0
Aluminio 1.0
Estao 1.0
Latn 1.0
Grafito 1.0
Nquel 1.0
Acero al carbn 50-200
Acero al silicio 8000-30000
Tabla 1.1 Valores tpicos de permeabilidad relativa de algunos materiales.
En la prctica los materiales ferro magnticos se identifican fcilmente porque
pueden ser atrados por un imn.
Reluctancia
La trayectoria seguida por el flujo magntico define un circuito magntico. De
acuerdo con el valor de permeabilidad de los materiales, stos presentarn mayor o
menor resistencia al paso del flujo magntico.
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As por ejemplo en el circuito magntico de la fig. 1.2, para orientar los dipolos
magnticos del material ferromagntico en el sentido del flujo magntico se requiere
una mnima energa; mientras que para orientar los dipolos del aire se requiere
mucho ms energa. De esto se concluye que la reluctancia del aire es notablemente
mayor que la reluctancia del material ferromagntico.
La reluctancia se define mediante la frmula A
lR (1.2)
En donde l = Longitud del circuito (o parte del circuito)
Magntico, (m).
A = Seccin transversal del circuito magntico, (m2).
= Permeabilidad del material, (H/m).
R = Reluctancia del (o parte del) circuito magntico.
Se mide en 1/Henry (H-1).
Fig. 1.2 Circuito magntico con reluctancias diferentes.
Fmm = NI Ampere-vueltas A
g0
R A
lR
f
R = R0 + Rf
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Un anlisis del circuito magntico de la Fig. 1.2 permite definir otros conceptos tales
como:
- El producto NI se denomina la Fuerza Magnetomotriz (Fmm) y que en la prctica
constituye la fuente productora del flujo magntico.
- En analoga con un circuito elctrico, el circuito magntico puede representarse
como se muestra en la Fig. 1.3. Obsrvese las relaciones:
Reluctancia ------------ Resistencia
Fuerza magnetomotriz- Voltaje
Flujo magntico---------- Corriente elctrica
Los circuitos magnticos siguen las mismas leyes que los circuitos elctricos.
Fig. 1.3 Analoga entre circuitos magnticos y circuitos elctricos
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Densidad e intensidad de flujo magntico
Con relacin a la fig. 1.2 anterior, supngase que el ncleo de material
ferromagntico es de seccin transversal "A", permeabilidad muy elevada "",
alrededor del cual se devana una bobina de "N" vueltas. Cuando circula corriente por
la bobina se establece un flujo magntico "" (letra griega fi) alrededor del circuito
magntico. Consideremos idealmente que el flujo magntico es el mismo tanto en el
ncleo como en el claro de aire (entrehierro). En estas condiciones podemos definir
a la Densidad de Flujo Magntico como la relacin del nmero de lneas de flujo por
unidad de rea, esto es,
A
B (1.3)
En donde B = Densidad de flujo magntico y se expresa en Teslas.
1 Tesla = 1 Weber/m2 = 10 000 Gauss.
= Flujo magntico. Se expresa en Webers.
A = Seccin transversal del circuito magntico, m2.
Con la suposicin anterior se establece idealmente que la densidad de flujo
magntico es igual en el ncleo que en el claro de aire (entrehierro).
Otro parmetro que se encuentra en el anlisis de sistemas magnticos es la
Intensidad de Flujo Magntico, que representa el esfuerzo necesario para orientar los
dipolos magnticos de un material. Ya que en el ncleo ferromagntico los dipolos
magnticos se orientan fcilmente se dice que para esto se requiere poca intensidad
de flujo magntico.
En el caso del claro de aire, de acuerdo con la Tabla No. 1.1 se desprende que es
muy difcil orientar sus dipolos magnticos, por lo que requiere mucho ms
intensidad de flujo magntico que en el ncleo ferromagntico.
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En su forma ms simple la intensidad de flujo magntico "H" se define por la relacin
l
NIH (1.4)
N = Nmero de vueltas de la bobina
I = Corriente de la bobina, Amperes
l = Longitud del circuito magntico, metros
H = Intensidad de flujo magntico, Ampere-vueltas/metro
Existe una relacin entre la densidad de flujo magntico (B) y la intensidad de flujo
magntico (H), dada por
B = H (1.5)
En los materiales ferro magnticos esta relacin generalmente es no-lineal debido a
sus caractersticas propias. La curva caracterstica B-H como la mostrada en la Fig.
No. 1.4 permite apreciar que la permeabilidad puede interpretarse como la pendiente
al origen y que toma valores distintos en funcin del punto escogido. Por este motivo,
cuando se emplee el valor de la permeabilidad, ste debe considerar el punto de
operacin (el valor de la corriente) del sistema.
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Fig. 1.4 Curva B-H (curva voltaje-corriente) de un material ferromagntico. Observe
la variacin de la permeabilidad en funcin de los valores de H.
Flujos magnticos entre dos bobinas al aire
La comprensin de una gran cantidad de fenmenos magnticos y condiciones de
operacin en equipos tales como transformadores, generadores, motores, etc., obliga
a distinguir claramente los varios tipos de flujos magnticos e inductancias que
participan en los equipos y sistemas electromagnticos.
Considere inicialmente que se dispone de dos bobinas conductoras en aire con
vueltas N1 y N2 respectivamente una muy cerca de la otra y que permitirn estudiar
algunas situaciones de inters.
(a) Corriente nicamente en la bobina 1
Los componentes del flujo magntico producido por la corriente I1, Fig. 1.5 se
definen como sigue:
11 = Flujo total debido a I1.
d1 = Flujo disperso. Enlaza nicamente a la bobina 1.
21 = Flujo mutuo debido a I1. Enlaza a ambas bobinas
Es decir, se cumple que:
11 = d1 + 21 (1.6)
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Fig. 1.5 Flujos magnticos debidos a la corriente en la bobina 1.
(b) Corriente nicamente en la bobina 2
Los componentes del flujo magntico producido por la corriente I2, Fig. 1.6, se
definen como sigue:
22 = Flujo total debido a I2
d2 = Flujo disperso. Enlaza nicamente a la bobina 2.
12 = Flujo mutuo debido a I2. Enlaza a ambas bobinas
22 = d2 + 12 (1.7)
Fig. 1.6 Flujos magnticos debidos a la corriente en la bobina 2.
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(c) Corriente en ambas bobinas.
Ahora el flujo mutuo resultante, o sea el que enlaza a las dos bobinas, Fig.1.7, se
representa por y se define por:
= 21 12 (1.8)
El signo es positivo si los flujos se ayudan y negativo si estos se oponen entre s.El
Flujo total que enlaza a la bobina 1 es:
1 = d1 + (1.9)
De manera similar, el flujo total que enlaza a la bobina 2 resulta:
2 = d2 + (1.10)
Fig. 1.7 Flujos magnticos debidos a las corrientes de ambas bobinas
El concepto de Inductancia en general
Por definicin la inductancia de un elemento que lleva corriente, es la relacin del
eslabonamiento de flujo magntico total sobre dicho elemento respecto a a la
corriente que encierra. Para un medio de permeabilidad constante la inductancia se
expresa mediante:
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INL F (1.11)
L se expresa en Henry (H) y desde el punto de vista de circuitos se representa
mediante el smbolo:
Inductancias: Propia, Mutua y de Dispersin
La interaccin de dos o ms elementos de corriente lleva a ampliar la definicin de
inductancia. El anlisis de los flujos entre dos bobinas en aire permite definir las
inductancias presentes en cada uno de los casos.
a) Inductancia propia. Se define como la relacin de los eslabonamientos del flujo
total que produce la corriente de la bobina respecto a esta misma corriente. Para
cada una de las bobinas se tiene entonces:
Bobina 1:
1
111
11I
NL
F (1.12)
Bobina 2:
2
222
22I
NL
F (1.13)
(b) Inductancia de dispersin. Es la relacin de los eslabonamientos de flujo sobre la
propia bobina respecto a su corriente.
Bobina 1:
1
d11
1dI
NL
F (1.14)
Bobina 2:
2
d22
2dI
NL
F (1.15)
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(c) Inductancia mutua. Con base en el arreglo de bobinas de la Fig. l.5 Se define la
inductancia mutua de la bobina 2 debida a la bobina 1 como la relacin de
eslabonamientos de flujo sobre la bobina 2 respecto a la corriente de la bobina 1.
Esto se representa por:
1
212
21I
NL
F (1.16)
De manera anloga y segn la Fig. 1.6, la inductancia mutua de la bobina 1 debida a
la bobina 2 se define como la relacin de eslabonamientos de flujo sobre la bobina 1
respecto a la corriente de la bobina 2, esto es:
2
121
12I
NL
F (1.17)
Puede demostrarse que en la gran mayora de las aplicaciones se tiene que
L12 = L21= M
Y se conoce simplemente como inductancia mutua.
De la misma forma, para el caso de sistemas lineales se puede demostrar que
MN
NLL
2
1
111d (1.18)
MN
NLL
1
21
222d (1.19)
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Estas inductancias intervienen en los circuitos equivalentes del transformador y
determinan el Por ciento de impedancia que aparece en las placas de datos de los
transformadores de distribucin y potencia.
Inductancia a partir de Reluctancia
Otra forma de presentar la definicin de inductancia, conveniente para sistemas con
ncleo magntico, con o sin entrehierro, Fig. 1.2 es
R
2NL (1.20)
N = Nmero de vueltas de la bobina
R = Reluctancia total del circuito magntico, (H-1)
L = Inductancia del dispositivo, H
Se aclara que la reluctancia total de un ncleo ferromagntico con entrehierro sera
la suma de las reluctancias del ncleo y del entrehierro respectivamente.
Fig. 1.8 Dos bobinas devanadas en el mismo sentido, conectadas en serie,
acopladas magnticamente y su representacin como circuito. (a) Con ncleo de
aire. (b) Con ncleo de hierro.
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Inductancias en serie acopladas magnticamente
Si dos bobinas comparten sus flujos magnticos y se encuentran conectadas en
serie, Fig. 1.8, tendrn una inductancia equivalente dada por la frmula:
L = L1 + L2 + 2M (1.21)
En donde:
L = Inductancia equivalente
L1 = Inductancia propia de la bobina 1
L2 = Inductancia propia de la bobina 2
M = Inductancia mutua
La inductancia mutua adoptara signo negativo si los flujos resultaran con sentidos
opuestos, es decir:
L = L1 + L2 2M (1.22)
Si se da el caso en que L1 = L2 = M, como en la Fig. 1.8 (b), la inductancia resultante
es nula, esto es: L = 0.
Fuerza producida por corriente
La magnitud de las fuerzas en condiciones normales de operacin de algunos
equipos elctricos no es de gran inters, sin embargo en condiciones de cortocircuito
la magnitud de las fuerzas que se generan son de carcter altamente destructivo y
por tanto muy importantes.
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Cmo se produce fuerza sobre un conductor de corriente
As como se producen fuerzas entre cargas electrostticas, los campos magnticos
de las cargas en movimiento (de las corrientes elctricas) producen fuerzas
magnticas.
Si un conductor que transporta corriente est dentro de un campo magntico
externo, como se muestra en la fig. 1.9 el conductor estar sometido a una fuerza
dada por la expresin
F = I l B (1.23)
En donde I = Corriente en el conductor, (A)
l = Longitud el conductor, (m)
F = Fuerza sobre el conductor, medida en Newton (N)
Fig. 1.9 Fuerza sobre un conductor de corriente. (a) Campo magntico externo B y
campo magntico de la corriente del conductor. (b) Campo magntico resultante.
Obsrvese como el conductor tiende a moverse de la zona de mayor a menor campo
magntico. (c) Regla de la mano izquierda.
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La direccin de esta fuerza est dada de manera prctica por la regla de la mano
izquierda, la cual establece que:
Si los dedos ndice, medio y pulgar de la mano izquierda se disponen segn
direcciones perpendiculares entre s, y con el ndice se seala la direccin del campo
o flujo magntico, y con el medio la direccin de la corriente en el conductor, el dedo
pulgar indicar la direccin de la fuerza.
Otro mtodo conveniente para determinar esta relacin es considerar el hecho de
que la concentracin de las lneas de fuerza detrs del conductor tiende a empujarlo
en sentido contrario.
Tanto la expresin (1.23), como la regla de la mano izquierda, imponen como
requisito para la existencia de fuerza, que la direccin de la corriente y la del campo
magntico guarde un ngulo entre s. Sobre esta base, un conductor cuya corriente
fuera paralela al campo magntico, no experimentara fuerza magntica alguna.
Fig. 1.10 Fuerzas magnticas entre dos alambres rectos. (a) Las corrientes opuestas
producen campos opuestos que se repelen. (b) Las corrientes en la misma direccin
campos que se suman y se atraen.
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Fuerza entre dos alambres rectos y largos
Al explicar el principio de produccin de fuerza en un conductor se tom como
ejemplo un conductor recto. Suponga ahora que el campo magntico externo de la
Fig. 1.9 se debe justamente a otro conductor recto. De acuerdo con las direcciones
de las corrientes en los conductores los campos magnticos resultantes se muestran
en la Fig. 1.10
De estos mapas de campo se puede concluir que: conductores con corrientes en el
mismo sentido se atraen y conductores con corrientes en sentidos opuestos se
repelen.
Para cuantificar la magnitud de fuerza en cualquiera de los conductores puede
aplicarse la expresin
SDIIK 21F (1.24)
En donde F = Fuerza sobre el conductor, (Kg)
K = 2.04 x 10-8
I1 = Corriente en el alambre 1, (A)
I2 = Corriente en el alambre 2, (A)
D = Longitud de los alambres, (m)
S = Separacin entre alambres, (m)
Fuerzas en conductores, reactores y transformadores
De acuerdo con la convencin de que conductores con corrientes de sentidos iguales
se atraen y conductores con corrientes de sentidos opuestos se repelen, las figuras
1.11 a 1.13 muestran cmo son las fuerzas en los conductores de los sistemas
siguientes:
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1) Capa de conductores. Las fuerzas axiales resultan hacia el centro de la capa. Las
fuerzas mximas se presentan en los extremos. En los conductores del centro se
presentara un efecto de aplastamiento si es que los conductores tuvieran libertad de
transmitir la fuerza hacia el centro.
2) Lmina conductora o barra conductora. Razonablemente el mismo
comportamiento que la capa de conductores (despreciando el efecto de las
corrientes inducidas en la lmina).
3) Reactor (Inductor o reactancia) con ncleo de aire. Similar que en el 1), las fuerzas
axiales son hacia el centro de la bobina. Existen componentes radiales que son
predominantemente hacia fuera de la bobina. Estas ltimas son mximas en el
centro de la bobina.
4) Reactor (Inductor o reactancia) con ncleo de hierro. Misma tendencia de 3)
anterior.
5) Transformador de dos devanados, ambos con alambre. Las direcciones de las
fuerzas axiales no siempre son iguales pues dependen de las alturas efectivas de las
bobinas y del acomodo de las vueltas en cada una de stas. Las fuerzas axiales
pueden resultar de compresin hacia el centro o de empuje hacia los extremos. Las
componentes radiales de las fuerzas en un transformador siempre son de repulsin
entre ambas bobinas. Esto quiere decir que la bobina interior siempre tender a ser
comprimida radialmente sobre el ncleo y la bobina exterior a ser radialmente
dilatada.
6) Transformador de dos devanados, uno de lmina y uno de alambre. Este arreglo
es muy popular en transformadores de distribucin y de potencia hasta 2000 KVA.
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El devanado de lmina constituye el lado de baja tensin; el devanado de alambre, el
de alta tensin. En este arreglo de conductores, las corrientes inducidas en la lmina
reducen considerablemente las fuerzas axiales de empuje (hacia los extremos de las
bobinas) en ambos devanados, lo cual constituye gran robustez ante corrientes de
cortocircuito.
Fig. 1.11 Fuerzas en conductores de corriente. (a) En una capa de conductores. (b)
En una lmina o barra conductora.
Fig. 1.12 Fuerzas en reactores (inductores o reactancias). (a) Reactancia con ncleo
de aire. (b) Reactancia con ncleo de hierro.
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Fig. 1.13 Fuerzas en conductores de transformadores. (a) Transformador con
devanados de alambre. (c) Transformador con un devanado de lmina y un
devanado de alambre.
Ley de Faraday
Se ha estudiado como una corriente elctrica produce un campo magntico. El
proceso inverso, producir corriente elctrica a partir de campo magntico, tambin es
posible segn se explica a continuacin.
Fig. 1.14 Generacin de tensin inducida (o fuerza electromotriz). (a) En un
conductor en movimiento, que corta lneas de un campo magntico fijo. (b) En una
espira que al girar corta lneas de un campo magntico fijo.
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La produccin de corriente elctrica mediante campo magntico se fundamenta en el
principio de induccin electromagntica establecido por M. Faraday, segn el cual, si
un conductor corta lneas de campo magntico, fig. 1.14 en este conductor aparecer
una tensin elctrica denominada tensin inducida dada por la relacin
e = B l v (1.25)
En donde e = Tensin inducida, (volts)
B = Densidad de flujo magntico, (T)
l = Longitud del conductor, (m)
v = Velocidad del conductor, (m/s)
Con la condicin de que el conductor se mueva perpendicular a las lneas de campo
magntico.
Fig. 1.15 Tensin inducida en bobinas por campo magntico cambiante con el
tiempo. (a) En una espira conductora en un campo magntico cualquiera. (b) En una
bobina "S" debido al campo magntico de corriente alterna de la bobina "P".
El mismo principio establece la obtencin de tensin inducida en las terminales de
una espira de conductor o (una bobina de N vueltas) cuando sta es eslabonada por
un campo magntico de magnitud cambiante en el tiempo. Fig. 1.15.
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Esta ltima condicin se expresa mediante la frmula
dtdNe F (1.26)
En donde e = Tensin inducida, (volts)
N = Nmero de vueltas de la bobina
d = Variacin de flujo magntico, (Wb)
dt = Tiempo en el cual el flujo vara. (s)
Cuando la expresin anterior se aplica en corriente alterna, se obtiene
E = 4.44 f Bm A N (1.27)
En donde E = Tensin inducida en el devanado, (V).
f = Frecuencia, (Hz).
Bm = Valor pico de densidad de flujo magntico
(Induccin magntica)en el ncleo, (T).
A = Seccin transversal efectiva del ncleo, (m2).
N = Nmero de vueltas del devanado.
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Ejemplo 1.1
Cul es la tensin inducida en el secundario de un transformador monofsico que
tiene 15 vueltas, Fig. 1.16, Si la densidad de flujo magntico (valor pico) en el ncleo
es de 1.6 Teslas (16000 Gauss) y la seccin transversal efectiva del ncleo es 300
cm2? Suponga una frecuencia de 60 Hz.
Fig. 1.16 Caractersticas del transformador del ejemplo 1.1
SOLUCION
Se aplica directamente la frmula (1.27).
Ya que el rea del ncleo est dada en cm2 y la frmula requiere rea en m2, se
tiene que
A = 300 cm2 = 0.03 m2
E = 4.44 x 60 x 1.6 x 0.03 x 15
E = 191.8 Volts
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b3) Si no se obtienen dos lecturas de tensin nula, cambiar la referencia a X3 y repetir
las mediciones de tensin.
b4) Si con lo anterior tampoco se obtienen dos tensiones nulas, intercambie la
conexin de dos de las terminales de AT del transformador 2, por ejemplo H'1 y
H'2, y repita la medicin de tensiones secundarias.
b5) Si no obtiene las dos tensiones nulas intercambie ahora H'1 y H'3 y vuelva a
medir.
b6) Si no obtiene las dos tensiones nulas intercambie H'2 y H'3, y repita la s
mediciones.
El nmero mximo de combinaciones distintas es 12 y 48 lecturas de tensin. En
caso de incompatibilidad aparente de los transformadores es preferible realizar el
total de las mediciones.
1.2 Principio del transformador
En la seccin anterior se explic cmo se obtiene tensin inducida por campo
magntico cambiante, con base en la Ley de induccin electromagntica de Faraday.
Esta ley es el punto de partida para el funcionamiento de los transformadores y as
tambin explica un sin nmero de fenmenos en otros sistemas elctricos y
aplicaciones industriales.
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32
Fig. 1.17 Dispositivos transformadores de energa elctrica.
(a) Dos espiras cercanas acopladas con un campo magntico variable. (b) Dos
bobinas con ncleo de aire en corriente alterna (C.A.).a. (c) Un transformador
elemental con ncleo ferromagntico.
Conviene recordar que la esencia de la Ley de Faraday aplicable a transformadores
consiste en que cualquier campo magntico variable en el tiempo que enlaza a una
espira o bobina conductora, induce en sta una tensin elctrica (fuerza
electromotriz).
Un transformador es un dispositivo que transforma la potencia elctrica mediante el
acoplamiento de dos o ms circuitos con campo magntico variable en el tiempo. La
Fig. 1.17 muestra algunos ejemplos de dispositivos transformadores. Un dispositivo
transformador que se pretenda opere con la ms alta eficiencia, normalmente est
compuesto de un ncleo de material ferromagntico, alrededor del cual se
encuentran devanadas las bobinas conductoras.
-
33
Si el transformador de la Fig. 1.17(c) consta de dos bobinas, la bobina que recibe la
energa se le llama el primario del transformador o bobina primaria; a la bobina que
entrega la energa se le conoce como el secundario del transformador o bobina
secundaria.
Fig. 1.18 El transformador elemental. (a) Arreglo fsico de ncleo y bobinas de un
transformador. (b) Una forma de representar el transformador. (c) Circuito elctrico
que simboliza un transformador.
El propsito fundamental de un transformador consiste en elevar o reducir la tensin
o la corriente, lo cual realiza sin modificar la frecuencia de stos parmetros.
Si en el ncleo del transformador de la figura anterior circula flujo magntico
producido por una corriente alterna, en las bobinas que forman el transformador se
inducen tensiones cuyas magnitudes estn dadas directamente por la ley de
Faraday, esto es;
-
34
E1 = 4.44 f N1 Bm A (1.28)
E2 = 4.44 f N2 Bm A (1.29)
En donde E1 = Tensin primaria, V
E2 = Tensin secundaria, V
f = Frecuencia, Hertz
Bm = Valor pico de la densidad de flujo magntico
En el ncleo, T (o bien Weber/m2)
A = Seccin transversal efectiva del ncleo, m2
Cualquiera de las expresiones anteriores nos indica que habr ms tensin inducida
si:
a) La bobina tiene ms vueltas
b) La frecuencia de la tensin es mayor
c) La densidad de flujo magntico en el ncleo es mayor
d) El rea del ncleo es mayor
1.3 El transformador sin carga
La Fig. 1.19 muestra un transformador monofsico conectado a una fuente de C.A.
sin carga conectada al secundario. La corriente que registrara el ampermetro se
denomina la corriente de excitacin. La potencia que medira el wttmetro es la
potencia de prdidas en el ncleo del transformador, esto es, una imagen del
calentamiento que produce el flujo magntico de C.A. al circular a travs del ncleo.
Estas prdidas del ncleo se deben fundamentalmente a dos causas:
a) Al fenmeno de histresis, consistente en el cambio de orientacin de las
molculas del material del ncleo en cada semiciclo de C.A... Este cambio de
orientacin produce calor en el material.
-
35
b) A las corrientes inducidas que se producen en el ncleo al circular un flujo
variable en el tiempo, de acuerdo con la Ley de Faraday, Fig. 1.15.
La corriente de excitacin para transformadores de distribucin y mayores
generalmente es menor del 3% de la corriente de plena carga del transformador.
Fig. 1.19 Transformador monofsico sin carga y medicin de prdidas en el ncleo y
corriente de excitacin.
-
36
Fig. 1.20 Causas de prdidas en el ncleo de un transformador. (a) Histresis: el
cambio de orientacin de las molculas en cada semiciclo de C.A. genera calor. (b)
Corrientes inducidas: la circulacin de flujo magntico variable en el ncleo induce
corrientes que producen calor.
-
37
Supngase que se tiene un transformador sin carga, cuyo ncleo tiene una seccin
transversal fija "A" y nmero de vueltas en el primario "N1". En estas condiciones Las
prdidas en el ncleo aumentan si:
a) La tensin primaria aumenta.
b) La frecuencia aumenta.
Si la tensin primaria y la frecuencia son fijas, las prdidas en el ncleo aumentan si:
a) El rea del ncleo disminuye.
b) El nmero de vueltas del primario N1 disminuye.
1.4 Circuito equivalente del transformador sin carga
Cuando se desea analizar el comportamiento de un transformador sin carga se
puede recurrir a su circuito elctrico equivalente.
Se ha establecido que la aplicacin de C.A. a una inductancia ocasiona que la onda
de corriente se atrase con respecto a la onda de la tensin aplicada.
Si se toma en cuenta que una inductancia se define como la relacin de
eslabonamientos de flujo sobre conductores de corriente, se podr aceptar que un
transformador en vaco se comporta idnticamente que una inductancia de gran
valor, lo que justifica la magnitud tan pequea de la corriente de excitacin.
Ms en detalle, en un transformador sin carga, casi todo el flujo magntico que
produce la bobina primaria recorre el circuito que forma el ncleo y una cantidad
muy pequea de flujo se cierra mayormente a travs del aire o de materiales no
magnticos (por ejemplo: aceite de transformador) y no recorre el ncleo
ferromagntico.
-
38
Con base en lo anterior, un transformador en vaco se puede representar tanto por el
circuito equivalente como por el diagrama fasorial mostrados en la Fig. 1.21
Con relacin al circuito equivalente, conviene definir sus parmetros:
V1 - Tensin aplicada a la bobina primaria, V.
E1 -Tensin inducida en la bobina primaria, V.
R1 -Resistencia de la bobina primaria, Ohms.
Ld1 -Inductancia de dispersin de la bobina primaria, H.
Lm -Inductancia de magnetizacin, H.
Rc Representa una resistencia ficticia (en Ohms) cuyas prdidas son las del ncleo
del transformador.
Ie -Corriente de excitacin, A.
Ic -Corriente de prdidas en el ncleo, A.
Im -Corriente de magnetizacin del ncleo, A.
Con respecto al diagrama fasorial cabe hacer notar que:
-La corriente de excitacin se atrasa casi 90 con respecto a la tensin aplicada V1.
-La componente dominante de la corriente de excitacin es la componente de
magnetizacin.
-La componente de prdidas de la corriente de excitacin est en fase con la tensin
aplicada.
-
39
Fig. 1.21 Circuito equivalente y diagrama fasorial del transformador sin carga.
1.5 El transformador con carga
Con relacin al transformador de la Fig. 1.22, cuando el interruptor del circuito
secundario est abierto, se tienen las tensiones inducidas E1 y E2 para el primario y
secundario respectivamente. E2 tambin se denomina la tensin secundaria en vaco.
Cuando se cierra el interruptor se observan los fenmenos siguientes:
1) La tensin inducida E2 hace circular una corriente I2 cuya magnitud depende de la
impedancia Zc que representa a la carga.
2) La corriente secundaria lleva una direccin tal que produce un flujo magntico '
en el ncleo opuesto al que produce la corriente primaria I1.
3) Cuando el flujo magntico en el ncleo disminuye la tensin inducida E1 tambin
disminuye.
4) La tensin E1, ahora menor, se opone menos a la tensin aplicada V1 y origina
que la corriente I1 aumente en proporcin a I2.
5) Al aumentar I1, el flujo magntico en el ncleo vuelve a tomar el valor que tena
antes de conectar la carga. Es decir, restablece su magnitud original.
-
40
Una conclusin de lo anterior es que la magnitud de flujo magntico en el ncleo no
se afecta por la magnitud de la carga conectada y en consecuencia las prdidas en
el ncleo tampoco se afectan.
Fig. 1.22 El transformador con carga y restablecimiento del flujo en el ncleo.
Relacin de: vueltas, tensiones y corrientes
La proporcionalidad de las tensiones inducidas con los nmeros de vueltas de las
bobinas, segn se desprende de la Ley de Faraday, puede expresarse como
aN
N
E
E
2
1
2
1 (1.30)
A esta relacin de tensiones o de vueltas "a" se le conoce como la relacin de
transformacin. Tambin se puede definir como una relacin de corrientes segn se
aprecia adelante.
Para ciertos problemas conviene establecer la expresin anterior como:
2
121
N
NEE (1.31)
-
41
En donde E1 = Tensin inducida en la bobina 1, V.
E2 = Tensin inducida en la bobina 2, V.
N1 = Nmero de vueltas de la bobina 1.
N2 = Nmero de vueltas de la bobina 2.
La proporcionalidad de las corrientes primaria y secundaria se obtiene al observar
que si se desprecia la corriente de excitacin en un transformador, los ampere-
vueltas primarios son iguales a los ampere-vueltas secundarios. Esto es,
N1 I1 = N2 I2 (1.32)
De donde se deduce que
1
2
2
1
N
N
I
I (1.33)
O lo que es lo mismo
1
221
N
NII (1.34)
En donde I1 = Corriente de la bobina primaria, A.
I2 = Corriente de la bobina secundaria, A
N1 y N2, definidas arriba.
-
42
Las expresiones anteriores tienen su interpretacin prctica, que se ilustra con el
siguiente Ejemplo1.2:
Suponga que se tiene un transformador monofsico de 25 KVA, 13200-120 V, y que
se desea conocer la corriente en el lado de alta tensin (AT) cuando se alimenta una
carga en el lado de baja tensin (BT) que demanda 85 amperes.
Solucin:
En primer lugar se calcula la relacin de tensiones inducidas mediante la expresin
(1.30), que es igual a la relacin de vueltas.
0.110120
13200
N
N
2
1
Ya que la relacin que interesa es N2/N1, entonces
009091.013200
120
N
N
1
2
La aplicacin de (1.34) que define a la corriente I1 proporciona directamente el
resultado deseado. Esto es, la corriente primaria I1 resulta:
I1 = 85 x 0.009091 = 0.7727 A
Como se ilustr en el ejemplo, para conocer la corriente en el lado de AT no se
requiere medirla necesariamente. Basta determinar la relacin de vueltas del
transformador y hacer una simple operacin con la corriente conocida en el lado de
BT para obtenerla.
Impedancia vista por el primario o por el secundario
As como se ilustr en el ejemplo anterior cmo la tensin y la corriente de un lado
del transformador constituyen una proporcin de la tensin y la corriente del otro lado
del transformador, respectivamente, en algunas aplicaciones conviene saber el valor
-
43
que una impedancia de carga representa cuando se mide o "se ve" por el primario
del transformador.
La Fig. 1.23 muestra un transformador con una carga representada por una
impedancia Zc As tambin se indican vltmetros y amprmetros a uno y otro lado
del transformador.
Se recordar que una impedancia cualquiera est definida por la tensin en sus
terminales entre la corriente que pasa por ella. De esta manera, la relacin de
tensiones y corrientes medidas en ambos lados del transformador se expresan como
sigue:
Por el lado de la carga (secundario), 2
2C
I
VZ Ohms.
Por el lado de la fuente (primario), 1
1C
I
V'Z Ohms
Z'c es la impedancia de la carga vista desde el primario. Si se comparan las
magnitudes de Zc y Z'c se podr comprobar que
2CCC axZ22N
1NZ'Z Ohms (1.35)
-
44
Fig. 1.23 Medicin de la impedancia de carga con vltmetro y amprmetro
directamente en el secundario y tambin desde el primario.
Es decir, cualquier impedancia en el secundario vista desde el primario puede
determinarse al multiplicar el cuadrado de la relacin de vueltas por la impedancia
que est en el secundario.
Circuito equivalente del transformador con carga
La operacin de un transformador con carga se puede representar matemticamente
mediante un conjunto de ecuaciones y tambin mediante un circuito elctrico
equivalente. La obtencin prctica de este circuito es como sigue:
1) En condiciones de carga, la corriente secundaria origina prdidas al pasar por los
conductores de la bobina secundaria y as tambin define su inductancia de
dispersin Ld2. Esta misma situacin se presenta en la bobina primaria, Fig.
1.24(a).
2) Si se desea considerar el efecto del ncleo en el circuito equivalente de carga,
este puede plantearse como se indica en la Fig. 1.24(b). Obsrvese que el par de
bobinas encerradas entre lneas punteadas representa un transformador ideal
(transformador sin prdidas que nicamente transforma tensin y corriente con
base en la relacin de transformacin), el cual constituye un artificio para obtener
el circuito equivalente deseado.
3) La rama de excitacin (la parte del circuito que representa el efecto del ncleo)
puede reubicar su posicin sin cometerse un gran error pues la corriente de
excitacin en general no excede del 3% de la corriente de plena carga, Fig. 1.24
(c).
-
45
4) La resistencia e inductancia secundarias se pueden pasar al primario si se les
multiplica por el cuadrado de la relacin de vueltas para obtener R'2 y L'd2. Fig.
1.24 (d).
5) Se obtiene la resistencia efectiva equivalente Re y la reactancia de dispersin
equivalente Xe, Fig. 1.24 (e), de acuerdo con
Re = R1 + R'2 Ohms (1.36)
Xe = 6.28 f (Ld1 + L'd2) Ohms (1.37)
En donde R'2 = R2 a2 Ohms
L'd2 = Ld2 a2 H
La impedancia equivalente del transformador expresada en Ohms resulta entonces
2e2ee XRZ Ohms (1.38)
6) Si la carga se pasa al primario se obtiene el circuito equivalente de la Fig. 1.24
(f), en donde
Z'c = Zc a2 Ohms (1.39)
7) Si se desprecia el efecto del ncleo en condiciones de carga del transformador,
se obtiene el circuito equivalente ms simple del transformador con carga
conectada, Fig. 1.24 (g).
-
46
Fig. 1.24 Obtencin del circuito equivalente del transformador con carga
-
47
Fig. 1.24 (cont.). Obtencin del circuito equivalente del transformador con carga
-
48
Prdidas de carga e impedancia del transformador
Como consecuencia de conectar una carga secundaria, las corrientes I1 e I2 alcanzan
una magnitud tal que al pasar por los conductores de las bobinas producen un
calentamiento de stos denominado efecto Joule. La potencia de prdidas en las
bobinas est dada por
Pj = I1R12 + I2R2
2 (1.40)
En donde Pj = Prdidas por efecto Joule , W.
I1 e I2 ya definidas antes.
R1 = Resistencia hmica de la bobina primaria, Ohms.
R2 = Resistencia hmica de la bobina secundaria, Ohms.
Adicionalmente, las corrientes de carga elevan considerablemente la magnitud de los
flujos dispersos. Parte de stos incide directamente sobre los conductores de las
bobinas y parte sobre elementos conductores fuera de las bobinas, como por
ejemplo: barras, herrajes y tanque. El efecto de estos flujos es la produccin de
corrientes inducidas que a su vez generan calor.
Sobre esta base, las prdidas de carga Pcu en un transformador se pueden expresar
como
Pcu = Pj + Pci (1.41)
En donde la variable por definir Pci representa las prdidas por corrientes inducidas
tanto en las bobinas como fuera de ellas.
-
49
Si en lugar de conectar una carga al secundario del transformador, ste se conecta
en cortocircuito y se le aplica una pequea tensin hasta hacer circular la corriente
nominal del transformador, la nica impedancia que limita el paso de la corriente es
la impedancia del transformador. As tambin la potencia que se consumira en este
circuito sera la potencia de prdidas de carga del transformador. En estas
condiciones las prdidas del ncleo son despreciables ya que como la tensin
aplicada es muy pequea, el flujo magntico en el ncleo tambin es muy pequeo y
las prdidas que causa son despreciables. Este es el principio de la medicin de
prdidas de carga del transformador, Fig. 1.25.
Esta misma conexin del transformador es til para definir el por ciento de
impedancia (%Z) que aparece en las placas de caractersticas de los
transformadores de distribucin y de potencia. Se define el % de impedancia como el
porcentaje de la tensin nominal que se aplica a un transformador con el secundario
en corto circuito para hacer circular la corriente nominal. Esto se expresa por
100V
VZ%
n
z (1.42)
En donde Vz = Tensin de impedancia (tensin aplicada que
Hace circular la corriente nominal), V.
Vn = Tensin nominal del transformador, V.
Tambin el % de impedancia puede interpretarse como el porcentaje de la tensin
respecto a la tensin nominal, que se cae en la impedancia equivalente del
transformador cuando existe corriente de carga.
-
50
Fig. 1.25 Prdidas de carga e impedancia del transformador. (a) Transformador en
cortocircuito con equipos para medir prdidas de carga e impedancia. (b) Circuito
equivalente correspondiente.
Para conocer el % de impedancia no es necesario hacer circular la corriente nominal;
se puede obtener con cualquier nivel de corriente de carga. Para esto, el secundario
del transformador se debe poner en cortocircuito, se aplica cualquier tensin
pequea, y se miden las magnitudes de tensin y corriente primarias.
Puesto que el transformador est en cortocircuito la impedancia medida es la
impedancia del transformador expresada en Ohms, es decir,
100I
VZ%
1
1e Ohms (1.43)
En donde Ze = Impedancia equivalente del transformador, Ohms.
V1 = Tensin aplicada, V.
I1 = Corriente medida, A.
-
51
Existe una relacin entre la impedancia equivalente Ze y su porcentaje %Z, dado por
la frmula
100V
PZZ%
2n
e (1.44)
En donde P = Potencia del transformador a la cual se desee calcular el % de
impedancia. Si se desea a la potencia nominal, entonces P es la potencia nominal
expresada en VA.
Vn = Tensin nominal del lado por donde se alimente el transformador, V.
El mismo valor de %Z se obtiene si P se expresa en KVA y Vn en KV.
Regulacin de tensin
Es muy comn observar que a medida que la carga conectada a un transformador
aumenta, la tensin secundaria disminuye en mayor o menor grado. Esto se debe a
que parte de la tensin de la fuente "se cae" dentro del mismo transformador (en la
impedancia equivalente) y entonces la tensin secundaria se reduce. Este fenmeno
se manifiesta siempre y cuando la carga sea de factor de potencia unitario o atrasado
(cargas resistivas e inductivas), Fig. 1.26. Ante cargas capacitivas la tensin
secundaria tiende a aumentar.
-
52
Fig. 1.26 Regulacin de tensin en el transformador con carga de F.P. unitario y F.P.
atrasado. A ms corriente la cada de tensin en la impedancia del transformador
aumenta y la tensin V2 se reduce.
El concepto de regulacin cuantifica la variacin de la tensin secundaria del
transformador desde su estado sin carga hasta su estado de plena carga y se define
como
100V
VEgRe%
2
22 (1.45)
En donde %Reg = Por ciento de regulacin del transformador
E2 = Tensin secundaria sin carga, V.
V2 = Tensin secundaria con carga, V.
La regulacin tambin se puede calcular con otras frmulas que dependen de la
impedancia y del factor de potencia de la carga. Los porcentajes tpicos de
regulacin a carga nominal y F.P. unitario en general no exceden 2%. Sin embargo si
el F.P. cambia por decir a 0.8 el porcentaje de regulacin se puede incrementar
hasta 7 veces el valor con F.P. unitario.
Eficiencia del transformador
Es un concepto directamente relacionado con las prdidas del transformador. A ms
prdidas menos eficiente. La eficiencia se define como la relacin de la potencia que
entrega el transformador entre la potencia que recibe de la fuente. Se acostumbra
expresarla en por ciento y est dada por la frmula:
100prdidassalidadePotencia
salidadePotenciaEficiencia (1.46)
-
53
En transformadores de distribucin y potencia la eficiencia mxima generalmente
ocurre alrededor del 60% de la carga. Si el factor de potencia se atrasa, la eficiencia
se reduce.
La eficiencia en transformadores de distribucin y potencia es bastante alta. Vara
desde alrededor de 97.7% en pequeas capacidades y supera 99% en grandes
capacidades.
1.6 Conexiones trifsicas ms comunes
Existe una gran variedad de conexiones trifsicas, sin embargo, en la prctica un
altsimo porcentaje de las aplicaciones utilizan la conexin DELTA y la conexin
ESTRELLA. La aplicacin de estas otras conexiones en los transformadores toman
como base, entre otros factores los siguientes:
a) Los niveles de tensin y de corriente a emplear
b) La factibilidad de alimentar cargas monofsicas
c) La posibilidad de detectar o liberar fallas
d) La capacidad de manejar cargas desequilibradas
e) Ferroresonancia
f) El tipo de ncleo
g) Confiabilidad de suministro
Fig. 1.27. Conexiones trifsicas: (a) Delta y (b) Estrella
-
54
Conexin Delta
Es una conexin que se forma al unir terminales de bobinas de polaridades distintas.
Fig. 1.27.
En esta conexin la tensin de lnea es la misma que la de fase, y la corriente de
lnea es 1.732 veces la corriente de fase.
Conexin Estrella
En esta conexin se unen tres terminales de las bobinas que tienen la misma
polaridad y forman lo que se llama el neutro de la conexin. Las corrientes de lnea y
de fase son iguales, y la tensin de lnea es 1.732 veces la tensin por fase o tensin
al neutro.
Grupos de conexin
Existe una gran variedad de alternativas en cuanto a la forma de conectar las
bobinas primarias y secundarias. La combinacin de la conexin primaria y la
conexin secundaria define un grupo de conexin. Los grupos de conexin ms
empleados son:
a) Delta - Estrella (Y)
b) Delta - delta
c) Estrella - estrella
La Fig. 1.29 presenta los arreglos de conexiones de acuerdo a la Norma ANSI y la
Fig. 1.30 segn normas IEC.
La Fig. 1.28 ejemplifica como se forma elctricamente la conexin DELTA-
ESTRELLA, con el delta adelantado 30 respecto de la estrella.
-
55
Se supone un ncleo de tres piernas. Las bobinas que se devanan en la misma
pierna, fasorialmente se representan paralelas. Es usual que las bobinas primaria y
secundaria se devanen en el mismo sentido.
Fig. 1.28 Conexin delta - estrella. (a) Circuito de conexin. (b) Diagrama fasorial.
Clculo de la corriente en un transformador trifsico
La corriente de lnea IL en cualquier conexin trifsica balanceada se calcula con la
frmula
L
LV732.1
PI A (1.47)
En donde P = Potencia del transformador en VA.
VL = Tensin de lnea, V.
IL = Corriente de lnea, A.
-
56
Si la conexin fuera delta, la corriente por fase IF sera simplemente
IF = IL/1.732 A (1.48)
Fig. 1.29 Algunos grupos de conexin de transformadores trifsicos segn normas
ANSI
-
57
Fig. 1.30 Algunos grupos de conexin segn normas IEC
-
58
Operacin de transformadores en paralelo
Dos o ms transformadores pueden conectarse en paralelo para alimentar una carga
comn. Prcticamente hay dos formas de conexin en paralelo:
a) Primarios independientes con secundarios en paralelo. Este esquema es el tpico
de las plantas generadoras, Fig. 1.30 (a).
Fig. 1.31 Operacin de transformadores en paralelo. (a) Primarios independientes y
secundarios en paralelo. (b) Primarios y secundarios en paralelo. Este esquema
probablemente es el ms comn a nivel industrial y de subestaciones de
transformacin, Fig. 1.31 (b)
-
59
Los requisitos fundamentales para llevar a cabo la conexin en paralelo son los
siguientes:
1) Si los transformadores van a acoplar redes primarias diferentes, por ejemplo de
diferentes generadores, stas deben operar a la misma frecuencia.
2) El desfasamiento entre tensiones primarias y secundarias debe ser el mismo en
ambos transformadores, aunque las conexiones trifsicas no sean las mismas.
3) Los secundarios debern tener la misma secuencia de fases.
4) Iguales tensiones secundarias de lnea (tensiones de vaco). Si los primarios
estn tambin en paralelo las tensiones primarias de lnea tambin deber n ser
iguales.
5) Es deseable que los porcentajes de impedancia sean iguales.
Mtodo prctico para evaluar la posibilidad de conexin en paralelo de dos
transformadores
Supngase el caso de conectar en paralelos tanto primarios como secundarios de
dos transformadores cuyas tensiones de lnea son iguales.
a) Transformadores monofsicos
En este caso lo nico que se debe verificar es que la polaridad de las tensiones
secundarias sea la misma, Fig. 1.31 (a). Para esto, proceda como sigue:
a1) Conecte los primarios a la misma fuente.
a2) Conecte dos terminales secundarias, por ejemplo X1-X1'.
a3) Mida la tensin entre las terminales secundarias restantes.
-
60
a4) Si la tensin medida es nula, estas terminales pueden conectarse en paralelo.
a5) Si la tensin no es nula (entonces ser el doble de la tensin secundaria),
intercambiar terminales secundarias del transformador 2 para formar el paralelo
con X1-X'2 y X2-X'1.
En este caso deben verificarse tanto la compatibilidad de desfasamientos primarios y
secundarios y la secuencia de identificacin de terminales.
Para realizar lo anterior tome como referencia la Fig. 1.32 (B) y siga las instrucciones
a1), a2), a3) y contine como sigue:
b1) Si de las cuatro mediciones se obtienen dos de tensin nula, bastar conectar las
terminales entre las cuales haya tensin nula para completar el paralelo.
b2) Si lo anterior no se logra, cambiar la referencia del transformador 1 a la terminal
X2 (quedan unidas X2 y X'1) y se repiten otras cuatro mediciones entre las
terminales secundarias restantes.
b3) Si no se obtienen dos lecturas de tensin nula, cambiar la referencia a X3 y repetir
las mediciones de tensin.
b4) Si con lo anterior tampoco se obtienen dos tensiones nulas, intercambie la
conexin de dos de las terminales de AT del transformador 2, por ejemplo H'1 y
H'2, y repita la medicin de tensiones secundarias.
b5) Si no obtiene las dos tensiones nulas intercambie ahora H'1 y H'3 y vuelva a
medir.
b6) Si no obtiene las dos tensiones nulas intercambie H'2 y H'3, y repita la s
mediciones.
-
61
El nmero mximo de combinaciones distintas es 12 y 48 lecturas de tensin. En
caso de incompatibilidad aparente de los transformadores es preferible realizar el
total de las mediciones.
Fig. 1.32 Mtodo prctico para evaluar la posibilidad de conexin de transformadores
en paralelo. (a) Transformadores monofsicos. (b) Transformadores trifsicos.
-
62
CAPITULO II
COMPONENTES INTERNOS DEL
TRANSFORMADOR
-
63
2. Componentes internos del transformador
Independientemente de la potencia, nmero de fases o cualquiera que sea el
transformador que se trate, siempre estar constituido por dos o ms bobinas por
fase, ya sea de cobre o aluminio alrededor de un ncleo ferromagntico de alta
permeabilidad, separadas mediante aislamientos y en algunos casos todo este
conjunto sumergido en aceite mineral de propiedades aislantes especiales. Fig. 2.1
Fig. 2.1 Partes principales de un transformador de gran potencia sumergido en
aceite. (1) Ncleo, (2) Devanados B.T. (3) Devanados A.T. (4) Bobinas de regulacin,
(5) Conductores, (6) Vigas de prensado del ncleo (7) Cambiador de derivaciones
bajo carga.
-
64
2.1. El ncleo
Al momento existen bsicamente dos materiales para la fabricacin de ncleos de
transformadores: acero al silicio y acero amorfo.
Acero al silicio
Este material es una aleacin de hierro y silicio con bajo contenido de carbn. Es el
material tradicionalmente empleado en ncleos de transformadores. Se fabrica en
espesores desde 0.18 mm hasta aproximadamente 0.64 m. El acero al silicio se
fabrica con grano orientado o con grano no orientado.
El acero con grano orientado posee muy buenas propiedades magnticas en el
sentido de orientacin dado a las partculas de la l mina. Esto significa que cuando el
flujo magntico circula en la direccin de orientacin del grano las prdidas
(calentamiento) en el material son muy bajas. Si el flujo circulara perpendicular a la
orientacin del grano, el material experimentara prdidas muy superiores a las
producidas en el sentido de orientacin. Este es el material tradicionalmente
empleado en transformadores de distribucin y de potencia. El ms popular es el tipo
denominado M-3 (por la compaa ARMCO) de 0.23 mm (0.009").
El acero con grano no orientado conserva las mismas propiedades
independientemente de la direccin del flujo a travs de la l mina, y sus prdidas son
mayores que las del acero orientado. Este tipo de acero conviene aplicarlo en
sistemas en los cuales las trayectorias del flujo magntico no son
predominantemente en la misma direccin, tal como sucede en las mquinas
rotatorias. El espesor mnimo de este tipo de acero es 0.35 mm (0.14").
-
65
Acero amorfo
Es un material cuyo desarrollo se intensific a partir de la dcada de los ochentas.
Est compuesto por hierro y otros elementos entre los que predomina el boro.
Fsicamente es de estructura sumamente frgil similar a la de un vidrio muy delgado.
Debido a las limitantes de fabricacin difcilmente se han alcanzado espesores del
orden de 0.13 mm. y por tanto la manufactura de ncleos no es simple.
Este material posee excelentes propiedades magnticas en cualquier direccin. Las
prdidas por unidad de peso pueden alcanzar la cuarta parte de las prdidas del
acero al silicio tipo M-4 de 0.28 mm. En los Estados Unidos de Norteamrica hay
varias decenas de miles de transformadores de distribucin operando en zonas en
las cuales el costo de la energa es sumamente elevado. Recientemente se anunci
el desarrollo de un transformador de 3000 KVA con acero amorfo, el cual
probablemente es el inicio de la aplicacin de este material en transformadores de
potencia.
Ncleos tpicos empleados en la industria de los transformadores
Se conocen dos tipos fundamentales de ncleos en cuanto a su relacin de
ensamble con las bobinas, estos son el tipo columnas y el tipo acorazado, Fig.2.2.
Ncleo tipo columnas. Es aqul en el que las bobinas rodean al circuito magntico.
Se usan en todo tipo de capacidades. La seccin transversal puede ser rectangular
hasta aproximadamente 10 MVA. La seccin cruciforme (o escalonada) se emplea
tanto en transformadores de distribucin como de potencia.
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(a) Acorazado monofsico, apilado
(b) Columnas monofsico, enrollado
(c) Acorazado trifsico 5 piernas, enrollado
(d) Columnas trifsico 4 piernas, apilado
(e) Columnas trifsicas 3 piernas, apilado
Fig. 2.2 Algunos tipos de ncleos ms comunes en transformadores
Ncleo tipo acorazado. Es aqul en el que el circuito magntico rodea a las bobinas.
Los ncleos monofsicos de este tipo se usan en transformadores de distribucin.
Los hay de seccin rectangular y seccin cruciforme. En transformadores de tipo
horno y de grandes potencias tambin se emplean los ncleos tipo acorazado
(geometra no mostrada en la Fig. 2.2).
Por su forma de ensamblar las lminas los ncleos pueden ser de dos tipos:
enrollado y apilado.
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Ncleo enrollado. Se forma de un rollo de lmina continua al cual se le hace un corte,
Fig. 2.3. Las lminas cortadas se acomodan y traslapan nuevamente en rollo.
Mediante prensas y moldes se obtienen las dimensiones especificadas y finalmente
se recose. Usualmente son de seccin rectangular. Este ncleo es muy popular en
transformadores de distribucin y se emplea en transformadores hasta
aproximadamente 1500 KVA.
Ncleo apilado. Se forma de varias lminas cortadas y apiladas en grupos. En
ncleos de seccin transversal rectangular usualmente se requieren 3 o 4 piezas
para constituir piernas y yugos, Fig. 2.4. En ncleos de seccin transversal
cruciforme se requieren 3 o 4 piezas por escaln de ncleo. Este arreglo de ncleo
se puede encontrar en todo tipo de capacidades.
Fig. 2.3 Fabricacin del ncleo enrollado. (a) Toroide de lmina contina. (b) Corte.
(c) Traslape. (d) Formado. (e) Recocido.
Porqu se utilizan lminas delgadas en los ncleos
En los prrafos sucesivos se supondr que los ncleos de transformadores estn
construidos con acero al silicio, salvo se indique lo contrario.
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Se recordar que un campo magntico variable como lo es el flujo magntico que
circula en el ncleo de un transformador, produce calor (prdidas en el ncleo).
Suponga el ncleo de la Fig. 2.6. Si este ncleo es macizo, las corrientes inducidas
producidas por el flujo magntico de C.A. siguen la trayectoria ms fcil (ms corta) y
por lo tanto son de gran magnitud. Si el ncleo se forma de lminas aisladas entre si
las corrientes inducidas circulan ahora independientes en cada lmina. De esta
manera "se obliga" a que las corrientes inducidas sigan una trayectoria ms larga (de
mayor resistencia elctrica) y por tanto sean pequeas. Por esta razn es que los
ncleos de los transformadores estn formados de lminas delgadas cubiertas con
una pelcula de xido u otro material aislante que contribuye a aislarlas
elctricamente una de otra.
Fig. 2.4 Ncleo apilado. (a) Lminas cortadas y grupos de ensamble. (b) Aspecto
fsico de ncleo terminado
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Fig. 2.5 Muestras de ncleos empleados en transformadores de potencia
Fig. 2.6 Reduccin de prdidas por corrientes inducidas al utilizar ncleos laminados.
(a) Corrientes inducidas en un ncleo macizo. (b) Corrientes inducidas en un ncleo
de lminas.
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Ruido en el ncleo
Tal como sucede en un electroimn de C.A. cuando se aplica corriente a la bobina,
las dos partes del electroimn tienden a juntarse. Esto se debe a que el flujo
magntico que circula, establece polos magnticos contrarios (norte y sur) entre las
partes del electroimn y se manifiesta una fuerza de atraccin entre ellas.
Si se graficara esta fuerza en funcin del tiempo se observara que tiene una forma
pulsante sinusoidal y unidireccional. Esto significa que la fuerza entre partes pasa
desde cero a un valor mximo en unos cuantos milisegundos. Es obvio entonces que
en ciertos instantes no existe fuerza entre partes, mientras que en otros, la fuerza es
mxima. Este fenmeno es la causa principal de ruido entre polos de un electroimn
y entre lminas que conducen flujo magntico en los transformadores.
La inmensa mayora de los ncleos de los transformadores estn formados por
lminas enrolladas o apiladas, que de una u otra manera quedan separadas una
pequea distancia. Un fenmeno como el del electroimn anterior es el que se
presenta entre las lminas del ncleo, las cuales estn sometidas a fuerzas de
atraccin que contribuyen al ruido y a la vibracin del transformador.
Magnetostriccin. Es un fenmeno que consiste en que cuando una lmina
ferromagntica conduce flujo magntico, sta se contrae ligeramente (slo unas
cuantas micras/cm). Debido a que en los transformadores el flujo cambia de
magnitud segn la frecuencia, usualmente 60 Hz, las lminas del ncleo se contraen
y se alargan a un ritmo del doble de la frecuencia. Esta es otra causa de ruido
audible en el transformador.
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Precauciones de manufactura y rearmado de ncleos.
El conocimiento de las causas que deterioran la lmina del ncleo as como de los
fenmenos que se presentan en el transformador, permiten establecer las siguientes
recomendaciones de manufactura y rearmado de los ncleos:
1) La lmina de acero elctrico no debe ser golpeada innecesariamente. En algunos
casos podr usarse un martillo de hule.
2) Los cortes de la lmina deben ser lo ms precisos posibles de manera que no
causen rebabas que puedan formar vueltas en cortocircuito a travs de las
lminas del ncleo.
3) Las uniones debern ser traslapadas y con la menor separacin posible entre
lminas. Los claros excesivos aumentan la corriente de excitacin.
4) En un ncleo cruciforme conviene identificar y registrar las diferentes piezas que
lo forman.
5) Cualquier paquete de lminas deber aislarse mediante cartn o madera para
evitar que algn herraje forme cortocircuito con algunas lminas del ncleo. Este
aislamiento tambin contribuye a reducir la vibracin y el ruido del transformador.
6) Si alguna lmina se ha oxidado por humedad y es factible reutilizarla, sta deber
limpiarse perfectamente para aplicarle algn barniz que sustituya el aislamiento
original.
7) La puesta a tierra del ncleo se efecta mediante una cinta de cobre insertada
entre las lminas del ncleo y se conecta en un solo punto, usualmente en el
herraje superior. Hacerlo en ms de un punto puede formar vueltas en
cortocircuito.
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8) Si se trata de un transformador en reparacin, por seguridad vale la pena medir
las prdidas del ncleo sin las bobinas originales.
9) En el caso de que se trate de un ncleo con tornillos metlicos pasados, estos
debern aislarse perfectamente para evitar formar vueltas en cortocircuito con las
lminas.
Sujecin del ncleo. La sujecin mecnica del ncleo tiene como propsito garantizar
su integridad como conjunto de tal manera que se pueda levantar y soportar los
esfuerzos de cortocircuito transmitidos por las bobinas. En transformadores de
distribucin, la sujecin es muy simple, y puede estar constituida por flejes o
pequeos marcos estructurales que aseguran la rigidez mecnica necesaria. En
transformadores de potencia de tres columnas generalmente los ncleos se sujetan
mediante canales que aprietan a los yugos superiores e inferiores y estos canales se
unen a travs de placas de acero localizadas entre la bobina interior y el ncleo o
bien mediante birlos exteriores. Fig. 2.7.
Uso de tornillos en el ncleo. El uso de pernos o tornillos metlicos que atraviesan la
seccin transversal del ncleo ocasionan concentraciones locales de flujo magntico
que causan prdidas adicionales. Estos tornillos se llegan encontrar en algunos
transformadores de ms de 10 MVA, aunque esto no es ninguna regla. En el caso de
algunos fabricantes, desde hace algunos aos, estos tornillos se han sustituido por
cintas de fibra de vidrio impregnadas con resina termofraguante que se colocan
alrededor del ncleo.
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Fig. 2.7. Ncleo trifsico tipo columnas con tornillos de sujecin aislados.
(
b
)
(c)
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Obsrvese que el ncleo debe aislarse totalmente de los herrajes que lo sujetan (c)
para posteriormente conectarlo a tierra en un punto nico.
Puesta a tierra del ncleo
El ncleo, herrajes y tanque de un transformador deben estar al mismo potencial de
tierra tanto por seguridad personal como por seguridad del transformador. Si el
ncleo no est a tierra, durante la operacin normal se inducen en ste cargas
elctricas, las cuales pueden causar descargas parciales en algunos aislamientos
que tarde o temprano desencadenar una falla franca y adems ocasionan
interferencia en sistemas de comunicacin. Si el transformador recibiera una
descarga atmosfrica o se le aplicara una prueba de impulso de rayo, el potencial
que adoptara el ncleo es impredecible y se pueden presentar diferencias de
potencial de mucha mayor magnitud a las previstas y ocurrir una falla. Para evitar
corrientes inducidas indeseables o vueltas parciales en cortocircuito, el ncleo debe
conectarse a tierra solamente en un punto. Fig. 2.8.
Fig. 2.8 Conexin del ncleo a tierra. (a) Correcta, (b) Incorrecta.
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2.2 Devanados de transformadores
Conductores empleados en los devanados (bobinas)
Los materiales conductores que se utilizan en transformadores son el cobre y el
aluminio, de acuerdo con las presentaciones siguientes:
a) Alambre de seccin transversal circular. Es ms comn de cobre aunque tambin
se fabrica con aluminio. El aislamiento usual de estos conductores es algn
esmalte a base de resinas, sin embargo, puede encontrarse con forro de
algodn, fibra de vidrio, etc.
b) Alambre de seccin rectangular (cinta o solera) de cobre o aluminio. Estos
conductores tienen esquinas redondeadas y se aplican ya sea con forro de papel
o bien esmaltadas en transformadores de distribucin y de potencia. En funcin
del tipo de bobina se pueden manejar 30 o ms conductores en paralelo.
c) Lmina de cobre o aluminio. Ms comn de aluminio, generalmente se utiliza
desnuda con un aislamiento entre vueltas adecuado a la temperatura de
operacin del equipo. Se aplica en devanados de BT y de manera natural
minimiza las fuerzas de cortocircuito verticales en las bobinas. Pueden emplearse
hasta 5 lminas por vuelta (5 lminas en paralelo).
Tipos de bobinas empleadas en transformadores
Existe un buen nmero de tipos de bobinas empleadas en transformadores. Esto es
de acuerdo con la facilidad de manufactura, capacidad del transformador,
caracterstica de enfriamiento, comportamiento ante cortocircuito o ante impulsos de
rayo, etc.
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Geomtricamente se manejan tres tipos de bobinas, Fig. 2.9:
a) Circular. Se encuentra en transformadores de distribucin y de potencia y es de
construccin robusta. Obliga a utilizar ncleo de seccin cruciforme que en
transformadores pequeos no se justifica.
b) Rectangular. No tan robusta que la circular, se ha empleado en transformadores
de hasta 10MVA.
c) Rectangular plana (galleta). Se forma con solera. Sobre un molde rectangular el
conductor se devana sobre s mismo hasta lograr la apariencia mostrada en la
Fig. 2.9 (c). Una fase de devanado se forma por varias de estas bobinas en serie
o paralelo. Este tipo de bobina se puede encontrar en transformadores de ms de
10 MVA.
En transformadores con bobinas concntricas se emplean los siguientes tipos de
bobinas:
1) Bobina tipo capas de alambre. Puede ser circular o rectangular y emplear
alambre redondo o solera de cobre. El conductor se devana de un extremo a otro
de la bobina hasta formar una capa. El proceso se repite para formar capas
posteriores. Entre capas adyacentes de conductores se coloca una capa de
aislamiento.
Fig. 2.9 Formas geomtricas de las bobinas ms utilizadas en transformadores. (a)
Circular. (b) Rectangular. (c) Plana.
(a) (b) (c)
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Fig. 2.10 Bobina tipo "capas". Izquierda: BT-lmina de aluminio, AT -alambre de
cobre. Derecha: BT solera de cobre, AT-alambre de cobre
Entre algunas capas tambin se colocan separadores para formar ductos de
enfriamiento. Se utilizan tanto en bobinas de BT como de AT en capacidades de
hasta 10 MVA, Fig. 2.10.
2) Bobina tipo capas de lmina. Generalmente es rectangular con lmina de
aluminio. Cada vuelta de lmina equivale a una capa y se usa en devanados de
BT para altas corrientes. Como se mencion antes, el uso de lmina en alguno de
los devanados del transformador, minimiza los componentes verticales de fuerzas
de cortocircuito.
3) Tipo "donas" (secciones de capas). En general se usa conductor redondo. Se
devana en pequeas capas que posteriormente se conectan para obtener el total
de vueltas por bobina. Es comn encontrarla en devanados de AT de
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transformadores de distribucin. Presenta mayor riesgo de falla ante impulsos de
rayo que las bobinas de capas completas. Estas bobinas tienen la ventaja de que
se pueden reparar fcilmente.
4) Bobinas de secciones. Sobre un tubo de devanado, el conductor (o conductores)
se devana sobre s mismo para formar lo que se denomina una "seccin". Hay
varios tipos de bobinas de secciones. En funcin de la corriente y tensin
requerida se utiliza un tipo especfico de bobina. Para corrientes menores que
300 A es muy comn la bobina denominada "continua". Para corrientes entre
1000 y 3000 A se puede usar una bobina "helicoidal". Y para tensiones de 115 KV
y superiores se emplean bobinas de alta capacitancia serie. La Fig. 2.11 muestra
ejemplos de estas bobinas.
Fig. 2.11 Dos tipos de bobinas: Izquierda bobina tipo plana, derecha: bobina
continua.
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Derivaciones cambiadores de derivaciones
Se recordar que la tensin secundaria de un transformador vara de acuerdo con la
magnitud de la carga conectada. El mismo fenmeno de regulacin del
transformador se manifiesta a nivel de sistema de distribucin o de transmisin.
Con el propsito de que las cargas conectadas a un sistema reciban la tensin ms
prxima al valor nominal, se deben prever medios de ajuste del valor de la tensin.
Una forma de hacerlo es mediante las derivaciones de los transformadores. Las
derivaciones de los transformadores son un conjunto de terminales que permiten
aumentar o disminuir las vueltas de un devanado del transformador.
Esta maniobra se realiza mediante un dispositivo integrado al transformador
denominado cambiador de derivaciones y puede llevarse a cabo con o sin carga. La
gran mayora de los transformadores tienen cambiador de derivaciones para
operacin sin carga. Fig. 2.12.
Fig. 2.12 Cambiadores de derivaciones sin carga. Izquierda para transformador de
potencia, de recha: para transformador de distribucin
El hecho de variar el nmero de vueltas de un devanado del transformador influye
directamente sobre la tensin secundaria. Generalmente las derivaciones (para
cambio sin carga) se encuentran en el lado de AT. As, en las placas de datos de los
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transformadores es comn encontrar diagramas como el de la Fig. 2.13, que muestra
la identificacin de las derivaciones y su tensin asociada.
1 2 3 4 5 6 7 8
CAMBIADOR DE DERIVACIONES
POSICION CONECTA VOLTS
1 4-5 13860
2 3-5 13530
3 3-6 13200
4 2-6 12870
5 2-7 12540
Fig. 2.13 Ejemplo de informacin de placa de datos de un transformador que indica
la identificacin y la magnitud de las tensiones de las derivaciones de un devanado.
Es muy comn encontrar transformadores con devanados de AT cuyas tensiones
(tensin nominal y derivaciones) se especifiquen como por ejemplo: "13200 volts 2
derivaciones del 2.5% cada una". Esto significa que en realidad el devanado de AT
del transformador debe estar previsto para obtener las tensiones: 13860-13530-
13200-12870-12540 volts.
Las derivaciones de una bobina se sacan usualmente en su parte media. La Fig. 2.14
muestra como se realiza esto en una bobina de capas y en otra de secciones. Dichas
derivaciones se conectan directamente al cambiador de derivaciones.
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Fig. 2.14 Salida de las derivaciones en una bobina de: (a) tipo capas, (b) tipo
secciones
Cambiador de derivaciones bajo carga
Constituyen una forma de ajustar la magnitud de voltaje secundario del
transformador bajo cualquier condicin de carga y de manera automtica. Estos
equipos disponen de sensores de voltaje y corriente que ante referencias
determinadas pueden corregir instantneamente el voltaje de salida del
transformador. El margen de ajuste de voltaje alcanza 22%. Fig. 2.15.
Transposiciones en bobinas
En bobinas que utilizan varios conductores en paralelo por vuelta se debe cuidar que
cada uno de estos mida aproximadamente la misma longitud. Supngase el caso de
una bobina de 2 soleras por vuelta, Fig. 2.16. Si estas se colocan axialmente una al
lado de otra, ambas tendrn la misma longitud y cada una de ellas llevar la mitad de
la corriente de la bobina. Si las soleras se colocan encimadas a lo largo de todas las
capas del devanado, la longitud de la solera de encima ser mayor que la de la
solera de abajo
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Esto implica que el conductor de arriba tenga mayor impedancia que el conductor de
abajo. El resultado de esta situacin es que cuando circule la corriente en la bobina,
el conductor inferior llevar mayor corriente que el conductor superior.
Fig. 2.15 Cambiador de derivaciones bajo carga. (a) Conmutador para operacin bajo
carga tipo resistivo, (b) Mando a motor del conmutador, (c) Conmutador para
operacin bajo carga tipo reactivo, extincin en vaco.
Para evitar el problema anterior, cuando se tiene ms de un conductor en sentido
radial por vuelta, se deben efectuar cambios de posicin o transposiciones de los
conductores que aseguren que los conductores de una vuelta tienen la misma
longitud.
En bobinas tipo capas las transposiciones se realizan al final de alguna capa. En
bobinas tipo secciones se realizan cada determinado nmero de secciones. Si dichas
transposiciones no se realizan, la consecuencia ser un incremento de prdidas de
carga.
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Prdidas de carga del transformador en la prctica
Se ha planteado anteriormente que las prdidas de carga en el transformador se
deben tanto a efecto Joule como a las corrientes inducidas del flujo disperso de la
corriente de carga. Estas ltimas pueden representar menos de 5% de las prdidas
por efecto Joule en transformadores de distribucin, sin embargo en transformadores
de potencia la cifra puede ser mayor.
Fig. 2.16 Transposicin de conductores radiales en una bobina de capas. (a) Para 2
conductores. (b) Para 3 conductores. (c) Arreglo alternativo para 3 conductores.
Prdidas por corrientes inducidas dentro y fuera de las bobinas. La Fig. 2.17
muestra una distribucin de flujo magntico debido a la corriente de carga (flujo
disperso). Como regla prctica, en todo elemento conductor sobre el cual incida flujo
magntico variable (en este caso de C.A.), se producirn prdidas (habr
calentamiento). Sobre esta base, puede apreciarse en la figura, que muchas lneas
inciden sobre muchos conductores de las bobinas. Este hecho produce un efecto
adicional al efecto Joule.
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Las prdidas por corrientes inducidas en conductores (en cualquier metal) dependen
de: la magnitud del campo magntico disperso, de la frecuencia de operacin y del
rea del conductor expuesta al campo magntico. Sobre esta base estas prdidas
se presentan en elementos tales como:
a) Herrajes. Ya sea por el campo magntico de la bobina o por el de barras o
conductores de alta corriente.
b) Tanque. Se producen por el flujo magntico disperso de las bobinas que incide
en el tanque. Tambin alrededor de boquillas de alta corriente.
En transformadores de gran potencia se llegan a utilizar "pantallas magnticas" para
reducir las prdidas en el tanque. Dichas pantallas pueden ser grandes lminas de
cobre o paquetes de lmina de acero elctrico que se colocan cerca o sobre las
paredes del tanque.
En la medicin de prdidas de carga de un transformador, el wttmetro indicara una
lectura equivalente a:
Prdidas por efecto Joule
Prdidas por corrientes inducidas en bobinas
Prdidas por corrientes inducidas fuera de las bobinas
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Fig. 2.17 Prdidas por corrientes inducidas en el transformador. Se deben al flujo
magntico de la corriente de carga.
Recomendaciones al redevanar bobinas.
Las siguientes recomendaciones consideran la posibilidad de que el devanado de
una bobina sea por necesidad de una reparacin.
1) Se debe disponer de las especificaciones de fabricacin (informacin escrita) que
indiquen materiales, vueltas, aislamientos, etc. que permitan construir la bobina.
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2) Verificar la existencia de materiales necesarios.
3) Fabricacin de tubos de cartn. Se deben evitar uniones a tope. Los tubos deben
contar con un traslape.
4) La tensin del conductor al devanar debe ser la recomendada de acuerdo al rea
de la vuelta de conductores.
5) Debe evitarse hacer raspaduras cuyas rebabas se alojen en la bobina misma.
Estas partculas metlicas pueden ser causa de fallas severas.
6) Las soldaduras en conductores de bobinas deben realizarse de manera de
asegurar que no se queden partculas de carbn en la bobina.
7) Las vueltas de la bobina debern ser exactas de acuerdo a la especificacin. En
bobinas de BT de menos de 600 volts, un error de una fraccin de vuelta puede
hacer que el transformador no cumpla con la tolerancia de relacin de
transformacin, que es de 0.5%.
8) El aislamiento radial entre bobinas de AT y BT (aislamiento alta-baja), debe
cumplir rigurosamente con el valor especificado, ya que la impedancia del
transformador es sumamente sensible a esta distancia.
9) Los ductos especificados deben respetarse tanto en cantidad como en ubicacin,
debido a que el diseo del enfriamiento del transformador as lo requiere.
10) Las alturas de las bobinas deben cumplirse segn se especifique. En
transformadores en los cuales ambas bobinas (BT Y AT) sean de alambre o
solera, es ideal que las alturas de conductor a conductor definitivas sean
exactamente iguales. Esto reduce las fuerzas axiales de cortocircuito en bobinas.
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11) En bobinas circulares de transformadores de potencia, generalmente las bobinas
se comprimen axialmente a una fuerza equivalente a la que se producira en un
cortocircuito.