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El transformador.

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Principios de induccin electromagntica, , CIRCUITO EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR REFERIDO AL LADO PRIMARIO, POTENCIA Y RENDIMIENTO DE LOS TRANSFORMADORES MONOFASICOS Y TRIFASICOS, RELACIONES ENTRE LAS ESPIRAS CON RELACION AL TIPO DE CONEXIN DE LOS DEVA

Agregado: 29 de AGOSTO de 2000 (Por ) | Palabras: 14425 | Votar! |
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Categoría: Apuntes y Monografas > Electrnica >
Material educativo de Alipso relacionado con transformador
  • El transformador.: ...
  • El transformador de potencia electrica: ...
  • LA LITERATURA: UN VALOR: ...

  • Enlaces externos relacionados con transformadornalga

    EL TRANSFORMADOR

    La invencin del transformador, data del ao de 1884 para ser aplicado en los sistemas de transmisin que en esa poca eran de corriente directa y presentaban limitaciones tcnicas y econmicas. El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribucin de la energa elctrica que usaba transformadores, se puso en operacin en los Estados Unidos de Amrica. En el ao de 1886 en Great Barington, Mass., en ese mismo ao, al proteccin elctrica se transmiti a 2000 volts en corriente alterna a una distancia de 30 kilmetros, en una lnea construida en Cerchi, Italia. A partir de esta pequeas aplicaciones iniciales, la industria elctrica en el mundo, ha recorrido en tal forma, que en la actualidad es factor de desarrollo de los pueblos, formando parte importante en esta industria el transformador.

    El transformador, es un dispositivo que no tiene partes mviles, el cual transfiere la energa elctrica de un circuito u otro bajo el principio de induccin electromagntica. La transferencia de energa la hace por lo general con cambios en los valores de voltajes y corrientes.

    Un transformador elevador recibe la potencia elctrica a un valor de voltaje y la entrega a un valor ms elevado, en tanto que un transformador reductor recibe la potencia a un valor alto de voltaje y a la entrega a un valor bajo.

    Principios de induccin electromagntica.

    La electricidad magnetismo en un electroimn, que es distinto de un imn permanente, y que el Campo magntico se produce slo cuando las espiras de alambre arrolladas alrededor del ncleo magntico, transportan corriente elctrica. Para determinar la polaridad de un electroimn se puede usar la llamada regla de la mano izquierda.

    Principio de funcionamiento del transformador.

    El principio de funcionamiento del transformador, se puede explicar por medio del llamado transformador ideal monofsico, es decir, una mquina que se alimenta por medio de una corriente alterna monofsica.

    A reserva de estudios con mayor detalle, la construccin del transformador, sustancialmente se puede decir que un transformador est constituido por un ncleo de material magntico que forma un circuito magntico cerrado, y sobre de cuyas columnas o piernas se localizandos devanados, uno denominado primario que recibe la energa y el otro el secundario, que se cierra sobre un circuito de utilizacin al cual entrega la energa. Los dos devanados se encuentran elctricamente asilado entre s.

    El voltaje en un generador elctrico se induce, ya sea cuando una bobina se mueve a travs de un campo magntico o bien cuando el campo producido en los polos en movimiento cortan una bobina estacionaria. En ambos casos, el flujo total es sustancialmente contante, pero hay un cambio en la cantidad de flujo que eslabona a la bobina. Este mismo principio es vlido para el transformador, solo que en este caso las bobinas y el circuito magntico son estacionarios (no tienen movimiento), en tanto que el flujo magntico cambio continuamente.

    El cambio en el flujo se puede obtener aplicando una corriente alterna en al bobina. La corriente, a travs de la bobina, vara en magnitud con el tiempo, y por lo tanto, el flujo producido por esta corriente, varia tambin en magnitud con el tiempo.

    El flujo cambiante con el tiempo que se aplica en uno de los devanados, induce un voltaje E1 (en el primario). Si se desprecia por facilidad, la cada de voltaje por resistencia de el devanado primario, el valor de E1 ser igual y de sentido opuesto al voltaje aplicado V1. De la ley de induccin electromagntica, se sabe que este voltaje inducido E1 en el devanado primario y tambin al ndice de cambio del flujo en la bobina. Se tienen dos relaciones importantes.

    V1 = - E1

    E1 a N1 (0/T)

    La mismo tiempo que el flujo cambia en al bobina primaria, tambin cambia en la bobina secundaria, dado que ambas bobinas se encuentran dentro del mismo medio magntico, y entonces el ndice de cambio del flujo magntico en ambas bobinas es exactamente el mismo. Este cambio en el flujo inducir un flujo E2 en la bobina secundaria que ser proporcional al nmero de espiras en el devanado secundario N2. Si se considera que no se tiene carga conectada al circuito secundario, el voltaje inducido E2 es el voltaje que aparece en las terminales del secundario, por lo que se tienen dos relaciones adicionales.

    E2 a N2 (0/T)

    E2 = V2

    En virtud de que armas bobinas se encuentran devanadas en el mismo circuito magntico, los factores de proporcionalidad para las ecuaciones de voltaje son iguales, de manera que si se dividen las ecuaciones para E1 y E2 se tiene:

    E1 = N1

    E2 N2

    Adems como numricamente deben ser iguales E1 y V2 o V2 - A ecuacin anterior se puede escribir como:

    V1 = Ng

    V2 N2

    Relacin de corriente.

    Si se conecta una carga al secundario del transformador, el voltaje inducido Eg hace que circule una corriente I2 en el devanado secundario.

    Debido a la circulacin de corrientes, se tiene en el devanado secundario una fuerza magnetomotriz (FMM) N2 I2 opuesta a la del primario N1 I1. Es conveniente recordar que el voltaje inducido en el primario E1 es siempre directamente proporcional al flujo 0 y tambin es igual al voltaje aplicado V1, considerando como antes, todos estos valores como eficaces. Dado que el voltaje aplicado no cambia, el flujo en el ncleo debe ser constante, cualquier incremento en la corriente secundaria, ser balanceado por un incremento en la corriente primaria, de manera que el flujo de energizacin producido por la corriente en el primario tendr un valor efectivo constante durante la operacin del transformador. En los transformadores de potencia de valor relativamente pequeo, se puede decir que prcticamente el flujo que eslabona al devanado primario, es el mismo que eslabona al secundario y de aqu que la corriente de vaco o de energizacin representa slo el 2% o 3% de la corriente primaria de plena carga ya se puede decir que los ampere-espira del primario son iguales a los ampere-espira del secundario, es decir:

    N1 I = N2 I2

    I1

    =

    N2

    I2

    N1

    La aplicacin de los circuitos equivalentes.

    Cuando los transformadores se usan dentro de una red compleja para estudiar el comprometido por lo que se refiere a la distribucin de la carga, las cadas de tensin, el corto circuito, etc. conviene, con relacin hasta lo ahora expuesto sobre el funcionamiento del transformador, considerando con lo que se conoce como El circuito equivalente que en su forma ms completa est constituido por un transformador ideal (de relacin N1/N2) conectado a las resistencias R0, R1 y R2 y a las reactancias X0, X1 y X2.

    Diagrama equivalente de un transformador monofsico.

    La resistencia Ro representa el efecto disipativo, debido a las prdidas en vaco, R1 es la resistencia del devanado primario, R2 la del secundario.

    En forma anloga Xo representa el efecto de absorcin de la corriente de magnetizacin, en tanto que X1 y X2 representan los efectos de los flujos dispersos en los devanados primario y secundario.

    Para algunos estudios, no se requiere considerar los efectos de la saturacin del ncleo del transformador y son despreciables, en cambio en otros se requiere de mayor precisin y entonces a Ro y Xo se les atribuyen propiedades no lineales.

    Como se mencion antes, para algunos estudios es conveniente hacer referencia a los valores de tensiones y corrientes referidos a un devanado a un lado del transformador, por lo general, el primario que es el de alimentacin. En estos casos el esquema equivalente se simplifica a un circuito T.

    CIRCUITO EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR REFERIDO AL LADO PRIMARIO.

    La resistencia y reactancia secundarias se refieren al devanado primario de acuerdo con las relaciones:

    R21

    =

    R2

    (N1)2

    N2

    X21

    =

    X2

    (N2)2

    N2

    En forma anloga la resistencia y reactancia primaria se pueden referir al secundario.

    Determinacin las constantes del transformador.

    Los valores reales de resistencia y reactancia de los devanados de un transformador, se pueden obtener de pruebas de laboratorios mediante mediciones y algunos clculos relativamente simples y que son la base de los valores usados en los circuitos equivalente son la base de los valores usados en los circuitos equivalentes. Algunos de estos valores o parmetros del transformador obtenidos para el transformador pueden no existir fsicamente, pero pueden ayudar a comprender la operacin del transformador.

    La prueba de corto circuito en el transformador.

    La prueba de corto circuito consiste en cerrar o poner en corto circuito, es decir, con una conexin de resistencia despreciable, las terminales de uno de los devanados y alimentar el otro con un voltaje reducido (aplicado en forma regulada_ de un valor reducido de tensin que representa un pequeo porcentaje del voltaje del devanado por alimentar, de tal forma, que en los devanados circulen las corrientes nominales. En esta condiciones se miden las corrientes nominales y la potencia absorbida.

    Debido a que la tensin aplicada es pequea en comparacin con la tensin nominal, las prdidas en vaco o en el ncleo se pueden considerar como despreciables, de manera que toda la potencia absorbida es debida a las prdidas por efecto joule en los devanados primario y secundario.

    Diagrama para la prueba de cortocircuito de un transformador monofasico.

    Wattmetor que indica la potencia de prdidas por efecto de circulacin de las corrientes en los devanados primario y secundario.

    Conexin de corto circuito entre las terminales del devanado.

    Voltaje de alimentacin de valor reducido, de manera que se hagan circular las corrientes I1, I2 de valor nominal en cada devanado.

    El voltaje aplicado (Vc) es regulado y se vara como se indic antes, hasta que circule la corriente de plena carga en el primario. De los valores medidos se obtiene la impedancia total del transformador como:

    Zg

    Vcc

    I1

    Donde:

    I1 = Corriente nominal primaria.

    Vcc = Voltaje de corto circuito aplicado en la

    prueba.

    Zt = Impedancia total interna referida a devanado

    primario. Esta impedancia se conoce tambin como impedancia equivalente del transformador.

    Perdida en los devanados a plena carga.

    Debido a que el flujo es directamente proporcional al voltaje, el flujo mutuo en el transformador bajo las condiciones de prueba de corto circuito es muy pequeo, de manera que las prdidas en el ncleo son despreciables. Sin embargo, la corriente que circula a travs de la resistencia de los devanados produce las mismas prdidas en estos, que cuando opera en condiciones de plena carga, esto se debe a que en ambos devanados e hace circular la corriente nominal.

    En el circuito para la prueba de corto circuito, si el wattmetor se conecta en el devanado primario o de alimentacin, entonces se miden las prdidas en los devanados ya que no ha otras prdidas consideradas, de este valor que se toma de las prdidas, se puede calcular la resistencia equivalente del transformador como:

    RT

    Pcc

    (I1)2

    Donde:

    Pcc = Prdidas en los devanados y que se obtienen

    de la lectura del Wattmetro.

    Se deben tener siempre en mente, que el valor de la resistencia Rt, no es la suma aritmtica de las resistencias en los devanados primario y secundario. Es un valor que se determina del circuito equivalente y por tal motivo se le denomina "la resistencia equivalente del transformador.

    La impedancia equivalente de un transformador se puede expresar en trminos de la resistencia y reactancia equivalente como:

    de tal forma, que la reactancia equivalente del transformador se calcula como:

    Estos valores estn por lo general referidos al devanado de alto voltaje, debido a que se acostumbra poner en corto circuito el devanado de bajo voltaje, es decir las mediciones se hacen en el devanado de alto voltaje. Esto es por lo general el mtodo normal de prueba. Las razones principales para esto:

    1.        La corriente nominal en le devanado de alto voltaje es menor que la corriente nominal en el devanado de bajo voltaje. Por lo tanto, son menos peligrosas y por otra parte es ms fcil encontrar instrumentos de medicin dentro del rango.

    2.        Debido a que el voltaje aplicado es por lo general menor que el 5% del valor del voltaje nominal del devanado alimentado, se obtiene una lectura del vltimeto con una de flexin apropiada para el rango de voltajes que se miden.

    Regulacin del transformador.

    La regulacin de un transformador se define como al diferencia entre los voltajes secundarios en vaco y a plena carga, medidos en terminales, expresada esta diferencia como un porcentaje del voltaje a plena carga. Para el clculo del voltaje en vaco se debe tomar en consideracin el factor de potencia de la carga.

    POTENCIA Y RENDIMIENTO DE LOS TRANSFORMADORES MONOFASICOS Y TRIFASICOS.

    La potencia de los transformadores.

    Como se sabe, la potencia en corriente alterna monofsica est dada como el producto de la tensin por la corriente y por el factor de potencia, de acuerdo a la expresin.

    P = VI cos 9

    Esta frmula expresa la potencia real que se mide en watts, el producto del voltaje (solo) por la corriente da la denominada potencia aparente.

    P = VI

    Las normas para transformadores cuando hablan de potencia nominal, se refieren a una potencia que es el producto de la corriente por el voltaje en vaco. La potencia nominal es por lo tanto una potencia aparente que es la misma, ya sea que se considere el devanado primario o el devanado secundario. La razn de esta definicin que es slo convencional, se debe al hecho de que se caracteriza a la mquina desde el punto de vista del dimensionamiento. Las prestaciones de una mquina elctrica estn limitadas por el calentamiento de sus componentes, las cuales est causadas por las prdidas que tiene. En particular, en un transformador se tienen las prdidas en el ncleo y al prdidas en los devanados.

    Para el ncleo magntico, las prdidas dependen de la induccin magntica B, la cual es proporcional a la tensin inducida, en los devanados, las prdidas son proporcionales al cuadrado de la corriente.

    La prueba de corto circuito del transformador, permite obtener las prdidas a plan carga con los devanados, a parir de stas se pueden calcular para cualquier otro valor de carga.

    La llamada prueba de circuito abierto en el transformador, permite obtener el valor de las llamadas prdidas en vaco o prdidas den el ncleo, que como se mencion, consisten de dos partes, las prdidas por histresis y las prdidas por corriente circulantes.

    En la prueba de circuito abierto, el devanado que se alimenta es por lo general el de bajo voltaje, debido a que resulta el ms conveniente par a la medicin.

    La eficiencia en los transformadores.

    En general, la eficiencia de cualquier mquina elctrica, se calcula como:

    Eficiente

    Pot. Salida

    =

    Pot. Salida

    Pot. Entrada

    Pot. Salida + Prdidas

    En virtud de que la capacidad de un transformador est basada en su potencia de salida, esta ecuacin se puede escribir como:

    Eficiente =

    KVA salida x FP

    KVA salida por FP Perd. Ncleo + perd. devanados

    Eficiencia diaria de los transformadores.

    Dependiendo de la aplicacin de los transformadores, con frecuencia se usan para operar las 24 horas por da, an cuando la carga no sea contnua en el perodo total de operacin. En estas condiciones un transformador tiene dos conceptos de eficiencia, una global para condicin de plena carga y otro para distintas cargas al da, es decir, la llamada eficiencia diaria. Esta eficiencia diaria se expresa como la relacin de la energa de salida a la energa de entrada durante el perodo de 24 horas.

    Transformadores trifasicos.

    La mayora de las redes de distribucin son trifsicas y tambin un buen nmero de usuarios de tipo comercial e industrial hacen uso de sistemas de alimentacin tfifsicos, esto hace que sea necesario considerar la importancia que tienen los sistemas trifsicos en las instalaciones elctricas y en consecuencia los transformadores trifsicos en estas.

    La energa de un sistema trifsico se puede transformar, ya sea por medio de tres transformadores monofsicos (formando un banco trifsico) o bien mediante el uso de un transformador trifsico. Por razones de tipo econmico, de espacio en las instalaciones y confiabilidad en los equipos, se puede decir, que en general, es preferida la solucin del uso de transformadores trifsicos en las instalaciones elctricas que requieren de este tipo de alimentacin.

    Los transformadores trifsicos normalmente estn constituidos de un ncleo que tiene 3 piernas o columnas, sobre cada una de las cuales se encuentra dispuestas los devanados primarios y secundarios de la misma fase. Estos devanados para cada una de las fases ese pueden conectar en estrella, delta a Zig-Zag.

    La conexiones entre los devanados secundarios pueden ser iguales o distintas de aquellas que se usen entre las fases del primario por lo que en teora puede haber nueve combinaciones de conexin. En la prctica se pueden usar las siguientes conexiones entre los devanados primario y secundario: Estrella-estrella, delta-estrella, estrella/zig-zag, estrella-delta, delta-delta.

    Relacin de transformacin para los transformadores trifsicos.

    Cuando los devanados primario y secundario de un transformador trifsico tienen conexiones distintas, la relacin entre las dos tensiones de vaco (sin carga) en las terminales, no es igual a la relacin entre las espiras de una fase primaria y secundaria. Esto depende de los tipos de conexiones que e seleccionen, debido a que, como se ha notado, cada tipo de conexin corresponde una determinada realizacin entre las tensiones concatenadas y las tensiones de fase.

    Si se considera por ejemplo un transformador con devanado primario en delta y devanado primario en delta y devanado secundario en estrella. Si se designan por V1 y V2 las tensiones de una fase del primario y de una fase del secundario respectivamente y con V1 y V2, los voltajes concatenados (indicados) en terminales del primario y secundario, respectivamente.

    En el devanado primario, por estar conectado en delta se tiene:

    V1 = V1

    En el devanado secundario conectado en estrella:

    V2 = 3 V2 = 1,732 V2, por lo tanto, la relacin entre las tensiones en vaco en las terminales ser:

    V1

    =

    V1

    V20

    1,732 V20

    Hasta ahora, se ha hablado de transformadores monofsicos, y en estos, la relacin entre las tensiones primaria y secundaria en vaco se le conoce como relacin de transformacin (se designa con la letra A) y esta relacin es vlida tambin para le nmero de espiras primarias N1 y secundarias N2. Si se le quiere dar el significado de relacin de transformacin a la relacin entre espiras:

    A

    =

    N1

    N2

    RELACIONES ENTRE LAS ESPIRAS CON RELACION AL TIPO DE CONEXIN DE LOS DEVANADOS.

    Criterios para la seleccin de conexiones.

    La seleccin de la combinacin de las conexiones depende de consideraciones econmicas y de las exigencias que impone la operacin. Por ejemplo, en las redes de distribucin que usan tres fases con neutro, es necesario el uso de devanados secundarios en estrella, ya que stos tienen un punto daccesible para el neutro.

    En los transformadores con devanado primario en delta y secundario en estrella/ o con primario en estrella y secundario en Zig-Zag los desequilibrios o desbalances en la carga (cuando las fases no se encuentran igualmente cargadas), repercuten menos sobre la lnea de alimentacin primaria.

    Con respecto a los efectos econmicos, se puede decir como criterio general que los devanados en delta son ms costosos que aquellos conectados en estrella, requirindose emplear conductores de dimetro menor o debiendo emplear un mayor nmero de espiras.

    Defasamiento entre las fases.

    En los transformadores trifsicos, tiene importancia entre otra cosas, el eventual defasamiento de fases de la tensin secundaria respecto a la tensin primaria., que puede afectar a la conexin en paralelo de los transformadores.

    En los transformadores monofsicos en conexin trifsica, a los transformadores trifsicos, los devanados primario y secundario que tienen la misma conexin (por ejemplo estrella/estrella, delta/delta) la tensin secudnria puede esta slo en fase (A 00) o en posicin de fase, es decir, a 180o.

    En cambio, los transformadores, trifsicos con conexin mixta en los devanados (por ejemplo estrella/delta, delta/estrella, estrella/zig-zag), este defasamiento angular no puede ser nunca 0o o 180o pero debe ser mltiplo de 30o.

    Examinando vectorialmente todas las combinaciones de conexiones trifsicas, resulta que incluyendo el defasamiento de 0o, pueden haber 12 distintos valores de defasamiento angular de 30 agrados en 30 grados, los valores ms usuales de defasamiento angular se dan en la tabla.

    LA CONSTRUCCION DEL TRANSFORMADOR.

    Consideraciones generales.

    Un transformador consta de dos partes esenciales: El ncleo magntico y los devanados, estos estn relacionados con otros elementos destinados a las conexiones mecnicas y elctrica entre las distintas partes al sistema de enfriamiento, al medio de transporte y a la proteccin de la mquina en general. en cuanto a las disposiciones constructivas, el ncleo determina caracterstica relevantes, de manera que se establece una diferencia fundamental en la construccin de transformadores, dependiendo de la forma del ncleo, pudiendo ser el llamado NUCLEO TIPO COLUMNAS y el NUCLEO TIPO ACORAZADO, existen otros aspectos que establecen diferencias entre tipos de transformadores, como es por ejemplo el sistema de enfriamiento, que establece la forma de disipacin del calor producido en los mismos, o bien en trminos de su potencia y voltaje para aplicaciones, como por ejemplo clasificar en transformadores de potencia a tipo distribucin.

    La construccin del ncleo.

    El ncleo magntico est formado por laminaciones de acero que tienen pequeo porcentajes de silicio (alrededor del 4%) y que se denominan laminaciones magnticos, estas laminaciones tienen la propiedad de tener prdidas relativamente bajas por efecto de histresis y de corrientes circulantes.

    Estn formados por un conjunto de laminaciones acomodadas en la forma y dimensiones requeridas. La razn de usar laminaciones de acero al silicio en los ncleos de las mquinas elctricas, es que el silicio aumenta la resistividad del material y entonces hace disminuir la magnitud de las corrientes parsitas o circulantes y en consecuencia las prdidas por este concepto.

    En el caso de transformadores de gran potencia, se usan las llamadas laminaciones de cristal orientado cuyo espesor es de algunos milmetros y contienen entre 3% y 4% de silicio, se obtienen de material laminado en caliente, despus se hace el laminado en fro, dando un tratamiento trmico final a la superficie de las mismas. Este tipo de laminacin cuando se sujetan al flujo en la direccin de las laminaciones, presentan propiedades magnticas mejores que la laminacin normal de acero al silicio usada para otro tipo de transformadores.

    Elementos de los ncleos de transformadores.

    En los ncleos magnticos de los transformadores tipo columna se distinguen dos partes principales: las columnas o piernas y los yugos. En las columnas se alojan los devanados y los yugos unen entre si la las columnas para cerrar el circuito magntico.

    Debido a que las bobinas se deben montar bajo un cierto procedimiento y desmontar cuando sea necesario por trabajos de mantenimiento, los ncleos que cierran el circuito magntico, terminar al mismo nivel en la parte que est en contacto con los yugos, o bien con salientes. En ambos casos los ncleos se arman con juegos de laminaciones para columnas y yugos que se arman por capas de arreglos pares e impares.

    Cuando se emplean laminaciones de cristal orientado, es necesario que las uniones entre yugos y columnas se realicen con cortes inclinados para evitar trayectorias transversales de las lneas de flujo respecto a tales direcciones.

    Cuando se han armado los niveles a base de juegos de laminaciones colocadas en pares e impares el ncleo se sujeta usando tornillos opresores y separa por medio de los tornillos tensores.

    En cuanto a los Yugos, se refiere, no estando vinculados estos con los devanados, pueden ser, entonces, rectangulares, an cuando pueden tener tambin escalones para mejorar el enfriamiento.

    Tipos de ncleos.

    Cuando se ha mencionado con anterioridad, laso ncleos para transformadores se agrupan bsicamente en las siguientes categoras:

    a)        Tipo ncleo o de columnas.

    b)       Tipo acorazado.

    c)        Tipo ncleo o de columnas.

    Existen distintos tipos de ncleos tipos columna, que est caracterizados por la posicin relativa de las columnas y de los yugos.

    Ncleo monofsico.

    Se tienen dos columnas unidas en las partes inferior y superior por medio de un yugo, en cada una de estas columnas se encuentran incrustados la mitad del devanado primario y la mitad del devanados secundario.

    Ncleo trifsico.

    Se tienen tres columnas dispuestas sabor el mismo plano unidas en sus partes inferior y superior por medio de yugos. Sobre cada columna se incrustan los devanados primarios y secundario de una fase. Las corrientes magnetizantes de las tres fases son distintas entre s, debido principalmente a que el circuito magntico de las columnas externas es ms largo que el correspondiente a la columna central. Este desequilibrio, tomando en cuenta que la corriente magnetizantes de las tres fases son distintas entre s, debido principalmente que el circuito magntico de las columnas externas es ms largo que el correspondiente a la columna central. Este desequilibrio, tomando en cuenta que la corriente de vaco es bastante baja, tiene influencia solamente para las condiciones de operacin en vaco.

    Tipo acorazado.

    Este tipo de ncleo acorazado, tiene la ventaja con respecto al llamado tipo columna, de reducir la dispersin magntica, su uso es ms comn en los transformadores monofsicos. En el ncleo acorazado, los devanados se localizan sobre la columna central, y cuando se trata de transformadores pequeos, las laminaciones se hacen en troqueles. Las formas de construccin pueden ser distintas y varan de acuerdo con la potencia.

    Herrajes o armadura.

    Como se ha mencionado antes, los ncleos de los transformadores tienen partes que cumplen con funciones puramente mecnicas de sujecin de las laminaciones y estructuras, estas pares o elementos se conocen como herrajes o armadura y se complementan con componentes como fibra se vidrio o madera para proteccin de la sujecin de los yugos.

    Los devanados de los transformadores.

    Los devanados de so transformadores se pueden clasificar en baja y alta tensin, esta distincin es de tipo global y tiene importancia para los propsitos de el realizacin prctica de los devanados debido a que los criterios constructivos para la realizacin de los devanados de baja tensin, son distintos de los usados para los devanados de alta tensin.

    Para los fines constructivos, no tiene ninguna importancia la funcin de un devanado, es decir, que sea primario o el secundario, importa solo la tensin para la cual debe ser previsto.

    Otra clasificacin de los devanados se puede hacer con relacin a la potencia del transformador, para tal fin existen devanados para transformadores de baja potencia, por ejemplo de 1000 a 2000 VA y para transformadores de media y gran potencia. Los devanados para transformadores de pequea potencia son los ms fciles de realizar.

    En este tipo de transformadores los devanados primario y secundario son concntricos y bobinado sobre un soporte aislante nico. Por lo general, se usan conductores de cobre esmaltado, devanados en espiral y con capas sobrepuestas. Por lo general, el devanado de menor tensin se instala ms cerca del ncleo interponiendo un cilindro de papel aislante y mediante separadores, se instala en forma concntrica el devanado de tensin mayor. Los extremos de los devanados (denominados tambin principio y final del devanador) se protegen con aislante de forma de tubo conocido como spaguetti.

    Devanados para transformadores de distribucin.

    En estos transformador, las diferencia entre las tensiones primaria y secundaria es notable, por ejemplo, los transformados para reces de distribucin de 13200 volts a las tensiones de utilizacin de 220/127 volts debido a estas diferencias, se emplean criterios constructivo distintos a os considerados en los transformadores pequeos de baja tensin y se dividen en devanados de baja tensin y de alta tensin.

    Devanados de baja tensin.

    Estn constituidos por lo general, de una sola espiral (algunas veces en dos o tres capas sobrepuestas), con alambres rectangular aislado. El conductor se usa generalmente para potencia pequeas y tiene dimetros no superiores a 3 o 3.5 mm. El aislamiento de los conductores, cuando son cilndricos, puede ser de algodn o de papel, ms raramente conductor esmaltado en el caso que los transformadores que no sean enfriados por aceite.

    Para transformadores de mediana y gran potencia, se recurre al uso de placa o solera de cobre aislada, el aislamiento es por lo general de papel. En el caso de que las corrientes que transporte el devanado sean elevadas ya sea por vacilidad de manipulacin en la construccin o bien para reducir las corrientes parsitas, se puede construir el devanado don ms de una solera o placa en paralelo.

    Devanados de alta tensin.

    Los devanados de alta tensin, tiene en comparacin con los de baja tensin, muchos espiras, y la corriente que circula por ellos, es relativamente baja, por lo que son de conductor de cobre de seccin circular con dimetro de 2.5 a 3.0 mm.

    Con respecto a las caractersticas constructivas, se tienen variantes de fabricante a fabricante, hay bsicamente dos tipos, el llamado tipo bobina formados de varias capas de condutores, estas bobinas tienen forma discoidal, estas bobinas se conectan, por lo general, en serie para dar el nmero total de espiras de una fase. El otro tipo des el llamado de capas constituido por una sola bobina con varias capas, esta bobina es de longitud equivalente a las varias bobinas discoidales que constituiran el devanado equivalente, por lo general, el nmero de espiras por capa en este tipo de devanado, es superior al constituido de varias bobinas discoidales.

    Como aspectos generales, se puede decir que el primer tipo (bobinas discoidales), da mayor facilidad de enfriamiento e impregnarse de aceite, debido a que dispone canales de circulacin ms numerosos, tambin tiene la ventaja de que requiere de conductores de menor dimetro equivalente al otro tipo, da mayor facilidad constructiva. Tiene la desventaja de ser ms tardado en su construccin.

    Las bobinas discoidales se conocen tambin como tipo galleta en algunos casos, se forman cada una, de un cierto nmero de conductores dispuestos en capas y aisladas estas capas entre s por papel aislante, cada bobina al terminar se amarra con cinta de lino o algodn para darle consistencia mecnica y posteriormente se les da un bao de barniz y se hornean a una cierta temperatura, con lo cual adquiere la rigidez mecnica necesaria. Cada bobina, est diseada para tener una tensin no superior a 1000-1500 volts, por lo que para dar la tensin necesaria para una fase, se deben colocar varias bobinas en serie.

    Posicin de los devanados.

    La disposicin de los devanados en los transformadores, debe ser hecha de tal forma, que se concilien en la mejor forma las dos exigencias que son contrastentes entre s, del aislamiento y de la menor dispersin del flujo. La primera requiere de la mayor separacin entre devanados, en tanto que la segunda, requiere que el primario s encuentra los ms cercano posible del secundario,. En la prctica, se alcanza una solucin conveniente del problema con la disposicin de los devanados dentro e los siguientes tipos:

          Concntrico.

          Concntrico doble.

          Alternado.

    En el tipo concntrico, cada uno de los devanados est distribuido a lo largo de toda la columna el devanado de tensin ms baja se encuentra en al parte interna (ms cercan al ncleo) y aislado del ncleo, y del de tensin ms elevada, por medio de tubos aislantes (cartn baquelizado, baquelita, etc.).

    En la disposicin de concntrico doble, el devanado de tensin ms de baja se divide en dos mitades dispuestas respectivamente al interior y al exterior uno de otro.

    En el llamado tipo alternado, los dos devanados estn subdivididos cada uno en una cinta nmero de bobinas que estn dispuestas en las columnas en forma alternada.

    La consideraciones que orientan desde el punto de vista de diseo, la disposicin de los devanados, son aquellos referentes al enfriamiento, el aislamiento, la reactancia de dispersin y a los esfuerzos mecnicos.

    Con relacin a los aislamientos, la solucin ms conveniente la representa el tipo concntrico simple, porque requiere de una sola capa aislante entre los dos devanados, por lo que esta disposicin es ventajosa en el caso de tensiones elevadas.

    El llamado concntrico doble tiene la prerrogativa de dar lugar a la reactancia de dispersin con valor de alrededor de la mitad de aquel relativo al concntrico simple. El tipo alternado, en cambio, permite variar tales reactancias, repartiendo en forma distinta las posiciones de las bobinas de los dos devanados.. para los esfuerzo mecnicos son mejor las disposiciones de tipo alternado, pues permite que el transformador soporte mejor los esfuerzos mecnicos.

    Construccin de los devanados.

    Como se indic anteriormente, los conductores usados para la construccin de los devanados, pueden ser de alambre circular (como un dimetro comprendida entre 0.2 y 0.4 mm) o bien solera de distintas medidas.

    Segn sea el tipo de las espiras de las bobinas, se pueden construir en dos formas.

          Helicoidadl contnua.

          Con bobinas separadas (discoidales).

    Las bobinas helicoidales se hacen, por lo general, cuando el conductor empleado es de solera, lo nico que se debe tener cuidado es en la forma del aislamiento con respecto al ncleo y eventualmente su constitucin mecnica. Este tipo de construccin tiene cierto tipo de limitaciones, en cuanto al aislamiento se refiere, an cuando se puede construir en varias capas, por lo que su prctica se limita a los devanados de baja tensin.

    La construccin de bobinas discoidales (para devanados con bobinas separadas), generalmente se hace con el mismo nmero de espiras por bobinas y de capas se hace de manera que se limite la tensin mxima entre espiras de capas adyacentes a una valor entre 200 y 300 volts, con esto se espera que en general, y slo en casos excepcionales, el voltaje por bobina sea cuando mucho 1000 volts entre capas separadas por papel aislante.

    Con relacin a al posicin de los devanados, los transformadores son de dos tipos: de devanados concntricos y devanados alternados.

    En el caso de los transformadores con devanados concntricos, estos, los devanados primario y secundario, son completamente distintos y se encuentran montados uno dentro del otro sabor el ncleo, estando, por razones de aislamiento, principalmente el devanado de menor voltaje ms cerca del ncleo.

    En transformadores de mayor potencia y slo excepcionalmente, se puede dividir el devanado de bajo voltaje en dos partes, de manera que uno quede cercano al ncleo y la otra se coloque sobre el devanado de lata tensin, es decir, es un doble concntrico.

    La disposicin de los devanados concntrica, es la que tiene un mayor campo de aplicacin.

    Cualquiera que sea el tipo de devanado, la construccin de las bobinas se hace normalmente sobre moldes de madera o metlicos montados sobre bobinadoras o devanadoras cuyo tipo es distinto, dependiendo principalmente del tamao de bobinas por construir. En el caso de bobinas para transformadores pequeos, que se pueden hacer en talleres de bobinado, estas bobinas son de tipo manual, y eventualmente se pueden llegar a usar tornos.

    Cuando se termina de devanar una bobina, antes su montaje se le debe dar un tratamiento como secarla en vaco para quitar posibles restos de humedad, y tambin un proceso de impregnacin de barniz aislante y horneado a una temperatura que depende del tipo de barniz y cuyo objetivo es dar consistencia mecnica.

    Aislamiento externo de los devanados.

    Los devanados primario y secundario, deben estar aislados entere s, generalmente este aislamientos de por medio de separadores de madera, baquelita o materiales aislantes similares que adems cumplan con funciones refrigerantes.

    SISTEMA DE AMARRE AXIAL DE LOS DEVANADOS MEDIANTE TORNILLOS OPUESTOS DE PRESION.

    El aislamiento entre las fase de los transformadores trifsicos se efecta separando convenientemente las columnas, entre las cuales se interponen algunas veces separadores o diafragmas de cartn tratado o bien de baquelita.

    El aislamiento externo entre las fases, se logra por medio de las boquillas a las que se conectan las terminales de los devanados.

    Conexiones de los devanados.

    Cuando se construye un devanado, se puede bobinar en el sentido a la derecha o a la izquierda (con respecto al sentido de las manecillas del reloj), se ha observado que una corriente que tiene un determinado sentido, produce un flujo magntico en sentido opuesto, se tiene un devanado construido hacia la izquierda o un devanado hacia la derecha, esto se debe tomar en consideracin, para evitar que con la conexiones que se realicen, se tengan flujos opuestos o voltajes inducidos opuestos. En general, cada fabricante adopta un sentido nico de devanado para todas las bobinas, tanto secundarias como primarias.

    En los transformadores monofsicos de dos columnas, el flujo es directo y en sentido opuesto en las dos columnas, esto significa que debe haber una forma de conexin.

    Cambio en al relacin de transformacin.

    En una red de distribucin, la tensin no es exactamente la misma en todos los puntos, debido a que la cada de tensin depende de la distancia del punto de alimentacin y de la magnitud de la carga. Para poder emplear los transformadores de distribucin en los distintos puntos de la red y adaptarlos a las variaciones tensin, se provee uno de los devanados de un cambiador de derivaciones (El de alta tensin) de tal forma que se puedan aumentar o disminuir el nmero de espiras y en consecuencia, variar la relacin de transformacin dentro de lmites establecidos, estos lmites, normalmente son del 5%.

    MATERIALES ELECTRICOS USADOS EN LA CONSTRUCCION DE TRANSFORMADORES.

    Conductores elctricos.

    Los materiales usado como conductores en los transformadores, al igual que los usados en otras mquinas elctrica, deben ser de alta conductividad, ya que con ellos se fabrican las bobinas. Los requisitos fundamentales que deben cumplir los materiales conductores, son los siguientes:

    1.       La ms alta conductividad posible.

    2.       El menor coeficiente posible de temperatura por resistencia elctrica.

    3.       Una adecuada resistencia mecnica.

    4.       Deben ser ductibles y maleables.

    5.       Deben ser fcilmente soldables.

    6.       Tener una adecuada resistencia a la corrosin.

    La resistividad o resistencia especfica, al tensin disruptiva, la permitividad y la histresis dielctrica en adicin a las propiedades dielctricas se deben considerar tambin las propiedades mecnicas y su capacidad para soportar la accin de agentes qumicos, el calor y otros elementos presentes durante su operacin.

    La temperatura y los materiales aislantes.

    Uno de los factores que ms afectan la vida de los aislamientos, es la temperatura de operacin de las mquinas elctricas, esta temperatura est producida principalmente por las prdidas y en el caso especfico de los transformadores, durante su operacin, estas prdidas estn localizadas en los siguientes elementos principales:

    El ncleo o circuito magntico, aqu las prdidas son producidas por el efecto de histresis y las corrientes circulantes en las laminaciones, son dependientes de la induccin, es decir, que influye el voltaje de operacin.

    Los devanados, aqu las prdidas se deben principalmente al efecto joule y en menos medida por corrientes de Foucault, estas prdidas en los devanados son dependientes de la carga en el transformador.

    Se presentan tambin prdidas en las uniones o conexiones que se conocen tambin como puntos calientes as como en los cambiadores de derivaciones.

    Todas estas prdidas producen calentamiento en los transformadores, y se debe elimina este calentamiento a valores que no resultan peligrosos par also aislamientos, por medio de la aplicacin de distintos medios de enfriamiento.

    Con el propsito de mantener en forma confiable y satisfactoria la operacin de las maquinas elctricas, el calentamiento de cada una de sus partes, se debe controlar dentro de ciertos lmites previamente definidos. Las perdidas en una mquina elctrica son importantes no tanto porque constituyan una fuente de ineficiencia, sino porque pueden representar una fuente importante de elevacin de temperatura para los devanado, esta elevacin de temperatura puede producir efectos en los aislamientos de los propios devanados, o bien en los aislamientos entre devanados y el ncleo, por esta razn, es siempre importante que todos los aislamientos entre devanados y el ncleo, por esta razn, es siempre importante que todos los aislamientos ese mantengan dentro de los lmites de temperatura que garanticen su correcta operacin, sin perder su efectividad.

    Como la elevacin en la temperatura depende tambin de la carga en las mquinas dentro de sus lmites de carga o cargabilidad establecidos, para as respetar los lmites de temperatura de su aislamientos.

    En su rgimen nominal de operacin, un transformador tiene estrechamente, ligado su voltaje y potencia a los lmites impuestos por los aislamientos usados y en menor grado por las prdidas por efecto joule.

    Calificacin de los materiales aislantes.

    La clasificacin de los materiales aislantes para mquinas elctricas con relacin a su estabilidad terminal, cubre bsicamente siete clases de materiales aislantes que se usan por lo general y que son los siguientes:

    CLASE

    TEMPERATURA

    Y

    A

    E

    B

    F

    H

    C

    90 oC

    105 oC

    120 oC

    130 oC

    155 oC

    180 oC

    Mayor a 180 oC

    Una descripcin breve de estos materiales se dan a continuacin:

    Clase Y.

    Este aislmiento consiste de materiales o combinaciones de materiales, tales como algodn, seda y papel sin impregnar.

    Clase A.

    Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como el algodn, sed ya papel con alguna impregnacin o recubrimiento o cuando se sumergen en dialcticos lquidos tales como aceite. Otros materiales o combinacin de materiales que caigan dentro de estos lmites de temperatura, pueden caer dentro de esta categora.

    Clase E.

    Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales que por experiencia o por pruebas, pueden operar a temperaturas hasta de 5 oC, sobre el temperatura de los aislamientos Clase A.

    Clase B.

    Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como la nica, fibra de vidrio, asbestos, etc. con algunas substancias aglutinantes, pueden haber otros materiales inorgnicos.

    Clase F.

    Este aislamiento consiste en materiales o combinaciones de materiales tales como mica, fibra de vidrio, asbesto, etc., con sustancias aglutinables, as como otros materiales o combinaciones de materiales no necesariamente inorgnicos.

    Clase H.

    Este aislamiento consiste de materiales tales como el silicn, elastmetros y combinaciones de materiales tales como la mica, la fibra de vidrio, asbestos, etc., con sustancias aglutinables como son las resinas y silicones apropiados.

    Clase C.

    Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como la mica, la porcelana, vidrio, cualzo con o sin aglutinantes.

    Mtodos de enfriamiento de transformadores de potencia.

    Como ya se mencion antes, el calor producido por las prdidas en los transformadores afecta la vida de los aislamientos, por esta razn es importante que este calor producidos disipe de manera que se mantenga dentro de los lmites tolerables por los distintos tipos de aislamiento.

    La transmisin del calor tiene las etapas siguientes en so transformadores:

          Conduccin a travs del ncleo, bobinas y dems elementos hasta la superficie.

          Transmisin por conveccin en el caso de los transformadores secos.

          Para los transformadores en aceite, el calor se transmite por conveccin a travs de este dielctrico.

    Los lmites de calentamiento para los transformadores se dan a continuacin:

    PARTE DEL TRANSFORMADOR

    MODO DE ENFRIAMIENTO

    CLASE DE AISLAMIENTO (POR TEMPERATURA)

    CALENTAMIENTO oC

    Devanados

    Por aire, natural o con ventilacin rozada

    A

    E

    B

    F

    H

    C

    60

    75

    80

    100

    125

    150

    a)                     Circuito magnticos y otras partes.

    b)                     Sin estar e contacto con los devanados

    a)          Los mismos valores que para los devanados.

    b)         Valores similares a las partes aislantes susceptibles de entrar en contacto con los devanados.

    Lquidos refrigerantes y aislantes.

    El calor producido por las prdidas se transmite a travs de un medio al exterior, este medio puede ser aire o bien lquido.

    La transmisin del calor se hace por un medio en forma ms o menos eficiente, dependiendo de los siguientes factores:

          La ms volumtrica.

          El coeficiente de dilatacin trmica.

          La viscosidad.

          El calor especfico

          La conductividad trmica.

    En condiciones geomtricas y trmicas idnticas, el aceite es mejor conductor trmico que el aire, es decir resulta ms eficiente para la disipacin del calor.

    Dignacin de los mtodos de enfriamiento.

    Los transformadores estn por lo general enfriados por aire o aceite y cualquier mtodo de enfriamiento empleado debe ser capaz de mantener una temperatura de operacin suficientemente baja y prevenir puntos clientes en cualquier parte del transformador. El aceite se considera uno de los mejores medios de refrigeracin que tiene adems buenas propiedades dielctricas y que cumple con las siguientes funciones:

          Acta como aislante elctrico.

          Acta como refrigerante.

          Protege a los aislamientos slidos contra la humedad y el aire.

    Con relacin a la transferencia del calor especficamente, las formas en que se puede transferir por un transformador son las siguientes:

    Radiacin.

    Es la emisin o absorcin de ondas electromagnticas que se desplazan a la velocidad de la luz y representa en temperaturas elevadas un mecanismo de prdida de calor. En el caso de los transformadores, la transferencia del calor a travs del tanque y los tubos radiadores hacia la atmsfera es por radiacin.

    La seleccin del mtodo de enfriamiento de un transformador es muy importante, ya que la disipacin del calor, como ya se mencion antes, influye mucho en su tiempo de vida y capacidad de carga, as como en el rea de su instalacin y su costo,. De acuerdo a las normas americanas (ASA C57-1948) se han normalizado definido algunos mtodos bsicos de enfriamiento, mismos que se usan con la misma designacin en Mxico y son los siguientes:

    1.       Tipo AA.

    Transformadores tipo seco con enfriamiento propio, estos transformadores no contienen aceite ni otros lquidos para enfriamiento, el aire es tambin el medio aislante que rodea el ncleo y las bobinas, por lo general se fabrican con capacidades inferiores a 2000 kVA y voltajes menores de 15 kV.

    2.       Tipo AFA.

    Transformadores tipo seco con enfriamiento por aire forzado, se emplea para aumentar la potencia disponible de los tipo AA y su capacidad se basa en la posibilidad de disipacin de calor por medio de ventiladores o sopladores.

    3.       Tipo AA/FA.

    Transformadores tipo seco con enfriamiento natural y con enfriamiento por aire forzado, es bsicamente un transformador tipo AA al que se le adicionan ventiladores para aumentar su capacidad de disipacin de calor.

    4.       Tipo OA

    Transformador sumergido en aceite con enfriamiento natural, en estos transformadores el aceite aislante circula por conveccin natural dentro de una tanque que tiene paredes lisas o corugadas o bien provistos con tubos radiadores. Esta solucin se adopta para transformadores de ms de 50 kVA con voltajes superiores a 15 kV.

    5.       Tipo OA/FA

    Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento propio y con enfriamiento por aire forzado, es bsicamente un transformador OA con la adicin de ventiladores para aumentar la capacidad de disipacin de calor en las superficies de enfriamiento.

    6.       Tipo OA/FOA/FOA.

    Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento propio/con aceite forzado aire forzado/con aceite forzado/aire forzado.

    Con este tipo de enfriamiento se trata de incrementar el rgimen de operacin (carga) de transformador tipo OA por medio del empleo combinado de bombas y ventiladores. El aumento de la capacidad se hace en dos pasos: en el primero se usan la mitad de los radiadores y la mitad de las bombas con lo que se logra aumentar en 1.33 veces la capacidad del tipo OA, con el segundo paso se hace trabajar la totalidad de los radiadores y bombas con lo que se logra un aumento de 1.667 veces la capacidad del OA. Se fabrican en capacidades de 10000 kVA monofsicos 15000 kVA trifsicos.

    7.       Tipo FOA.

    Sumergido en lquido aislante con enfriamiento por aceite forzado y de aire forzado. Estos transformadores pueden absorber cualquier carga de pico a plena capacidad ya que se usa con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando al mismo tiempo.

    8.       Tipo OW.

    Sumergido en lquido aislante con enfriamiento por agua, en estos transformadores el agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los cuales estn en contacto con el aceite aislante del transformador y se drena por gravedad o por medio de una bomba independiente, el aceite circula alrededor de los serpentines por conveccin natural.

    Tipo FOW.

    Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento de aceite forzado y con enfriadores de agua forzada. Este tipo de transformadores es prcticamente igual que el FO, slo que el cambiador de calor es del tipo agua aceite y se hace el enfriamiento por agua sin tener ventiladores.


    FUNDAMENTOS DE CALCULO DE TRANSFORMADORES

    Introduccin.

    El clculo o diseo de transformadores se puede decir que es un aspecto suficientemente tratado, en el que intervienen algunas variantes dependiendo del tipo de transformador y de los materiales empleados. En la actualidad los fabricantes de transformadores a gran escala, disponen por lo general de programas par computadora para diseo y de laboratorio apropiados prueba y desarrollo.

    No obstante, los conceptos bsicos del clculo de transformadores se deben conocer por las personas relacionadas con las mquinas elctricas, ya que esto no solo permite una mejor comprensin de su funcionamiento, sino tambin se est en posibilidad de entender mejor las posibles falla que tienen y su reparacin.

    DIMENSIONAMIENTO DE LAS PARTES ACTIVAS DEL TRANSFORMADOR

    Como se sabe, los transformadores estn constituidos principalmente por el ncleo y los devanado (bobinas), en principio el tratamiento para el clculo de las caractersticas del ncleo corresponde al que se da para el clculo de un circuito magntico, es decir se parten de los mismos conceptos y bases para el clculo de un reactor, y en parte, un electroimn. Los conceptos bsicos de clculo estn dados por la densidad de flujos magntico (BM) expresada en Weber/M2 y el flujo magntico (fM) expresado en Weber, de andar que la seccin de un ncleo magntico se puede calcular como:

    S =

    fM

    BM

    Partiendo del hecho que se ha fijado la densidad de flujo BM con un cierto criterio de conveniencia que toma en consideracin la potencia del transformador, las prdidas en los materiales y el sistema de enfriamiento empleado como medida de orientacin, se da la tabla siguiente en donde se da el valor medio de la induccin en funcin de la potencia.

    POTENCIA DEL TRANSFORMADOR EN kVA

    DENSIDAD DE FLUJO BM

    (WEBER/M2)

    5 10

    10 20

    20 50

    50 200

    200 500

    MS DE 500

    1.10 1.20

    1.15 1.25

    1.20 1.30

    1.25 1.35

    1.30 1.40

    1.35 1.50

    Cuando es usa laminacin de cristal orientado e puede tener una induccin hasta de e1.6 Weber/M2.

    Determinacin del flujo.

    Si se desprecia la cada de tensin en el secundario del transformador se puede escribir que:

    VS = ES = 4.44 fNS fM

    Donde:

    NS = NUMERO DE ESPIRAS DEL DEVANADO SECUNDARIO.

    Si se multiplica ambos miembros de la expresin anterior por Is (la corriente nominal secundaria) se obtiene la potencia nominal.

    PN = Vs Is = 4.44 f Ns Is fM

    En la expresin anterior al producto Ns Is se le puede sustituir por la relacin fM/K, donde K = fM/NS Is que se conoce como el factor de flujo y que depende del tipo, la potencia y tipo de enfriamiento del transformador. Con esta sustitucin se tiene:

    Si se expresa la potencia en kVA, desarrollando se obtiene la siguiente expresin:

    Donde la constante KF es:

    Para una frecuencia de 60Hz se puede escribir:

    Para la constate C se pueden adoptar los valores dados en la tabla.

    VALORES DE LA CONSTANTE C PARA EL CALCULO DEL FLUJO.

    TIPO DE TRANSFORMADOR

    CONSTANTE C

    MONOFASICO

    TIPO COLUMNAS

    ACORAZADO

    0.13 0.20

    0.26 0.39

    TRIFASICO

    TIPO COLUMNAS

    ACORAZADO

    0.16 0.23

    0.39 0.52

    A los valores ms bajos de C corresponden a los valores mayores del nmero de espiras de los devanados. Un dimensionamiento bien hecho debe conciliar necesariamente los factores tcnico econmicos.

    Despus de haber determinado el valor de la seccin y establecida la forma (segn sea el caso, cruciforme o de cruz o de escalone) se obtiene el radio de la circunferencia circunscrita, tomando en consideracin el factor de empaquetamiento (al atornillar el ncleo con herrajes o tornillos) y cuyos valores son:

    0.86 0.90 para laminaciones aisladas con papel.

    0.90 0.92 para laminaciones aisladas en barniz.

    0.85 0.90 para ncleos con escalones.

    Para transformadores de ncleo acorazado, al seccin del ncleo es normalmente rectangular.

    Clculo del numero de espiras.

    Se parte de la frmula V = 4.44 fN fM, para el devanado primario se considera el voltaje inducido o fuerza electromotriz igual a la tensin aplicada, despreciando as la cada de tensin. En los transformadores trifsicos al tensin a considera es la de fase. En la frmula anterior, conviene recordar que N representa el nmero total de espiras por fase. Por lo tanto cuando hay espiras formadas por conductores en paralelo, se consideran como una sola vuelta.

    Si se divide la tensin por fase ente el nmero de espiras en serie por fase se obtiene el nmero de volt/espira, est valor par aun mismo tipo de transformador va aumentando con la potencia. Por ejemplo, para un transformador trifsico del tipo columna enfriado por aire, por una potencia de1 kVA se puede tener de 0.25 0.5 Volt/espira, en tanto que para una potencia de 100 kVA, tales valores pueden estar entre 3.2 y 5.5 volts/espira.

    Desde el punto de vista de diseo, una vez que se determina el nmero de espiras, se calculan los volts/espira, que deben estn dentro de los lmites establecidos por los fabricantes. Los valores medios a considerar para transformadores de pequea y media potencia se indican en la tabla siguiente:

    VALORES MEDIOS DE VOLTS/ESPIRA EN FUNCION DE LA POTENCIA.

    POTENCIA EN kVA

    VOLTS/ESPIRA

    1

    5

    10

    25

    50

    75

    100

    0.3 0.6

    0.7 1.1

    1.0 1.6

    1.6 2.5

    2.3 3.5

    2.7 4.5

    3.2 5.5

    Para otro tipo de transformadores los valores anteriores se modifican por coeficientes para cada caso. Tales coeficientes son:

          Para transformadores monofsicos en aire del tipo columna 1.2.

          Para transformadores monofsicos en aceite del tipo columna 1.35.

          Para transformadores monorfsicos de tipo ncleo acorazado 2.5 3.0.

          Para transformadores en aire tipo columna 0.85.

          Para transformadores en aire acorazado 1.3 1.6.

    Otro elemento importante a considerar esta dado por la limitacin de la diferencia de potencial entre la primera espira de una capa de una bobina y la capa adyacente, constituida por la ltima espira de la capa anterior o la siguiente. Esta diferencia de potencial se debe mantener entre 200 y 300 volts.

    Densidad de corriente.

    La densidad de corriente (expresada en amperes/MM2) en los conductores usados en la fabricacin de formadores depende desde luego de la seccin o rea de los conductores, pero para un cierto conductor dado, esencialmente depende del tipo de enfriamiento usado. Los valores de orden de magnitud que se recomienda usar son los que se, indican a continuacin:

    Transformadores enfriados por aire

    Con enfriamiento natural 1.1 1.6 A/MM2

    Transformadores enfriados por aceite

    Con enfriamiento natural 2.5 2.8 A/MM2

    Con enfriamiento forzado 2.8 4.0 A/MM2

    Relacin entre las prdidas en el fiero y las prdidas en el cobre (devanados).

    La condicin de rendimiento mximo en un transformador se tiene cuando las llamadas prdidas en vaco en el fiero y las prdidas en los devanados (en el obre) son iguales. Como en la prctica los transformadores e muy raro que trabajen con carga constante, por lo general es mayor el tiempo que operan con carga debajo de su valor nominal, que aquel que opera a plena carga, entonces la relacin Pvacio/Pcobre es menor que la unidad, y es tanto ms pequea respecto a la unidad, mientras sea mayor el tiempo de funcionamiento a carga reducida. Para tomar en consideracin el efecto de variacin de la resistencia por temperatura, para corregir las prdidas en lo devanados se pude considera un coeficiente Km igual a 1.1.

    Los amperes espira por unidad de longitud en al columna.

    Para determinar la altura h de las columnas o bien para verificar el valor obtenido en base al dimetro de la circunferencia circunscrita a la seccin de ste, sirve el parmetro de los amperes espira.

    Ampere Espira/cm =

    N1I1

    =

    N12 I12

    h

    H

    De donde:

    H (CM) =

    Amp espira

    Amp espira/cm

    N1 y N2 son las espiras en serie por fase del primario y secundario respectivamente, y las corrientes primario y secundario son I1 E I2 respectivamente. Para que el dimensionamiento del ncleo sea bien realizado, es necesario que el valor de tal parmetro se encuentre dentro de los lmites de la practica constructiva que indica las conveniencias para los distintos tipos de transformadores en funcin de la potencia. Tales lmites de valores medios de dan en la tabla siguiente:


    VALORES MEDIOS DE AMPERE ESPIRA/CENTIMETRO EN FUNCION De LA POTENCIA Y TIPO DE TRANSFORMADORES

    POTENCIA

    (Kva)

    AMPERE ESPIRA/CENTIMETROS

    TRIFASICOS

    MONOFASICOS

    TIPO COLUMNA

    ACOCARAZADOS

    TIPO COLUMNA

    ACORAZADOS

    1

    5

    10

    50

    100

    500

    1000

    5000

    10000

    50 66

    85 100

    95 120

    150 200

    170 250

    230 300

    280 370

    420 500

    550 - 650

    65 83

    110 130

    124 156

    196 260

    220 320

    300 390

    360 480

    550 650

    720 - 850

    60 80

    100 120

    115 140

    180 240

    200 240

    270 360

    430 570

    500 600

    660 - 780

    100 130

    170 200

    190 240

    300 400

    340 500

    460 600

    460 600

    560 740

    840 1000

    1100 1300

    Aislamiento entre devanados y entre devanados y el ncleo.

    El aislamiento entre los devanados y entre estos y el fierro del ncleo sobre el cual se encuentran devanados, se puede hacer de distintas formas, segn sea el tipo de transformador.

    Salvo en los casos de transformadores de potencia muy pequea y del tipo ncleo acorazado, el aislamiento se logra siempre por medio de tubos aislantes (de papel baquelizado, gelonita y similares) por otra parte, la limitada rigidez dielctrica del aire, la presencia de polvos y al humedad, hacen que sea preferente el uso de transformadores en aceite durando la tensin sobrepasa los 4 a 6 kV.

    Naturalmente que con el aumento de tensin, el espeso de los aislamientos aumente, por lo tanto, considerando que el uso de espesores notables para los tubos aislantes, encuentra ciertas limitaciones ya sea para la fabricacin como para el comportamiento del material a las solicitaciones dielctricas, para tensiones de 30 a 40 kV, en lugar de un tubo se tienden dos o ms concntricos entre los cuales se deja una distancia de la menos 10 o 15 mm para permitir la circulacin del aceite interpuesto y por lo tanto el enfriamiento. En este caso el espesor los tubos se hace de 3 a 5 mm. Para tensiones de operacin hasta 40 de kV, los espesores de los tubos se adoptan como los antes indicados. En la tabla siguiente se da como una medida de orientacin la relacin entre el espesor del tubo (en mm) y al tensin de operacin (en kV).

    ESPESOR DE TUBOS AISLANTES CONTRA TENSION DE OPERACION EN TRANSFORMADORES.

    ESPESOR DEL TUBO

    (MM)

    TENSION DE OPERACIN

    (Kv)

    4

    5

    6

    7

    8

    10

    10

    15

    20

    25

    30

    40

    Cuando los tubos se subdividen, el espesor del conjunto aislante (tubo aceite) se puede calcular prcticamente con la expresin:

    De = 0.06V (CM)

    Donde:

    V = Mxima tensin de los devanados, expresados, expresada en Kv.

    Todo lo mencionado anteriormente es aplicable tanto al aislamiento entere devanados, como al aislamiento con respecto al ncleo.

    DISTANCIAS ENTRE DEVANADOS Y EL YUGO Y ENTRE LOS DEVANADOS Y EL TANQUE.

    Estas distancias mnimas no slo estn relacionadas a las tensiones de operacin, tambin lo estn a la distribucin del campo elctrico en lo puntos considerados. Con tal propsito, cualquier reduccin por mejorar las distancias consideradas.

    Con relacin a la figura anterior y a ttulo de orientacin, se dan los siguientes valores de distancias mnimas en la tabla siguiente:

    TENSION DE OPERACIN

    3 5 10 20 30 40 50 60 70 100

    En aire a min. (mm)

    En aceite a min. (mm)

    B min. (mm)

    35 50 - - - - - - - -

    25 35 55 80 90 100 120 130 160

    120 130 160 200

    50 60 75 85 100 120 140 150 180

    Por razones prcticas, se recomienda no usar valores inferiores a los siguientes:

    Para A: En aire 35 mm

    En aceite 20 mm

    Para B:

    Entre los devanados de columnas adyacentes se deben respetar tambin ciertos valores mnimos, indicados pro la distancia C en al figura anterior, esta distancia se puede obtener de la relacin:

    C = 0.8 Kv

    C = 0.9 Kv

    Cuando se usa diafragma aislante, esta distancia puede descender hasta 10 o 50 mm.

    DIMENSIONAMIENTO De LOS TRANSFORMADORES TRIFASICOS EN AIRE

    Estos transformadores son por lo general de pequea potencia y no existe normalmente un criterio unificado en cuanto al diseo de las laminaciones, de manera que a ttulo de orientacin se pueden considerar los valores siguientes referidos a las figura indicada.

    DIMENSIONAMIENTO LOS TRANSFORMADORES TRIFASICOS DE DISTRIBUCION ENFRIADOS POR ACEITE.

    Dentro de esta categora se pueden ubicar los transformadores que comprenden potencias que van desde algunas decenas hasta algunas centenas de kVA y con tensiones primarias hasta de 34.5 kV o valores alrededor de ste. Las tensiones secundarias normalizadas dependen de cierta medida de la aplicacin especfica y pueden ser por ejemplo 4 160 volts, 440 volts 220 volts entre fases, con una frecuencia normalizada que en el caso de Mxico es de 650 Hz. Por ste y algunos otras problemas como son las prdidas, el calentamiento que es comn a todas las mquinas, adquiere importancia el problema del aislamiento.

    Por lo general en los procedimientos de clculo de los transformadores se hace uso de frmulas y expresiones que algunas veces no tienen deduccin matemtica alguna, ms bien son resultados del producto de la experiencia, del tipo de materiales usados y su calidad, etc., y que adems. No son aplicables a todos los casos, por lo que no existe un procedimiento de clculo nico y general, esto hace necesario que el lector tenga un poco de cautela en cuanto a las metodologas del diseo de transformadores se refiere.

    Datos de partida para el clculo.

    Los elementos de partida necesarios para la iniciacin de un clculo son: la potencia normal en kVA, las tensiones de vaco primaria y secundaria, los tapas para regulacin de la tensin primaria, la conexin entre las fases.

    PRINCIPALES CONEXIONES DE LOS TRANSFORMADORES

    Introduccin.

    Dependiendo del propsito de la instalacin, un transformador se puede conectar de distintas formas. En el caso de los transformadores monofsicos, hay distintas formas de conectarlos a la fuente de alimentacin y a la carga. Dos o ms transformadores se pueden conectar en distintas formas para cumplir con distintos requerimientos.

    El concepto de polaridad.

    A diferencia de la corriente directa, no hay polaridad positiva o negativa fija en la corriente alterna, de aqu que los transformadores no pueden tener polaridad fija en sus terminales.

    La direccin relativa en la cual los devanados primarios y secundario de un transformador. Se devanan alrededor del ncleo, determina la direccin relativa del voltaje a travs de los devanados. Por ejemplo, si en la figura siguiente, se supone que el voltaje aplicado en cualquier instante tiene direccin de A a B, al direccin del voltaje en el secundario ser de C a De de D a C, dependiendo de la direccin relativa de los devanados.

    Polaridad en un transformador monofsico.

    a)        Polaridad aditiva.

    b)       Polaridad sustractiva.

    Dado que es importante, cuando dos o ms transformadores se conectan juntos, conocer la direccin relativa del voltaje de cada transformador, se han establecido ciertas convenciones para designar la llamada POLARIDAD de un transformador. Esta designacin de polaridad se puede obtener de la figura anterior.

    Si una de las terminales del devanado de lato voltaje se conecta al lado adyacente opuesto del devanado de bajo voltaje (por ejemplo de A a C), el voltaje en las terminales restantes (B y D) es, o la suma o la diferencia de los voltajes primario y secundario, dependiendo de las direcciones relativas de los devanados. Si el voltaje de B a De es la suma, se dice que el transformador tiene polaridad ADITIVA y si es la diferencia, entonces se dice que tiene polaridad SUSTRACTIVA.

    Si los devanados de los lados de alto y bajo voltaje estn en direcciones opuestas, los voltajes aplicado e inducido tendrn direcciones opuestas y se dice que el transformador tiene polaridad sustractiva. Las terminales H1 y X1 estarn del lado izquierdo cuando se ve al transformador del lado de bajo voltaje hacia el lado de alto voltaje.

    Si los devanados de los lados de alto y bajo voltaje estn en la misma direccin, los voltajes aplicado e inducido tendrn la misma direccin y se dice entonces que el transformador tiene polaridad aditiva, la terminal X1 se encontrar del lado derecho cuando se ve al transformador del lado de bajo voltaje hacia el lado de alto voltaje.

    Cuando se desea conectar en paralelo los secundarios de dos (o ms) transformadores, se conectan en forma similar, las terminales que tiene la misma marca de polaridad.

    La prueba de polaridad.

    Cuando en un transformador no est especificada la polaridad o se desconoce, se puede determinar por una simple medicin de voltaje como se indica a continuacin:

    1.          Hacer una conexin entre las terminales de alto voltaje y bajo voltaje del lado derecho cuando se ve al transformador desde el lado de las boquillas y de bajo voltaje.

    2.          Aplicar un voltaje bajo, por ejemplo 120 volts a las terminales de alto voltaje y medir este voltaje con un vltimetro.

    3.          Medir el voltaje de la terminal del lado izquierdo del lado de alto voltaje al terminal del lado Iz quiero de bajo voltaje.

    Si el voltaje anterior es menor que el voltaje a travs de las terminales de alto voltaje, el transformador tiene polaridad sustractiva. Si este voltaje es mayor, entonces la polaridad es aditiva.

    Conexin de los transformadores monofsicos.

    La conexin ms simple de las conexiones de los transformadores es la conexin monofsica.

    Un mtodo sencillo de llevar las terminales de los devanados primarios y secundario a las boquillas que llevan al exterior del tanque del transformador dos indic en la figura anterior. Para proporcionar flexibilidad en las conexiones, las bobinas de los devanados primario y secundario, se arreglan en dos secciones, cada seccin de una bobina tiene el mismo nmero de espiras, por lo tanto, genera el mismo voltaje. Las dos primeras secciones se conectan por lo general juntas, dentro del tanque y nicamente dos son llevadas al exterior del tanque a travs de las boquillas, las cuales las aislan de la tapa.

    Se pueden sacar cuatro conductores secundarios de cada bobina del secundario, con los dos conductores o terminales transpuestos del interior, antes de ser llevado al exterior. En transformadores nuevos del tipo distribucin. Es prctica comn estas dos terminales transpuestas, se conecta dentro del tanque uy slo un conductor comn se lleva al exterior.

    La boquilla secundaria centro se le denomina por lo general Boquilla del nuestro y en muchos casos es una tuerca que conecta tambin a la pared del tanque proporcionando un medio de conexin a tierra al tanque del transformador.

    Sistemas polifsicos.

    Como se sabe, en corriente alterna hay dos tipos de circuitos: los denominados circuitos monofsicos y los circuitos polifsicos (los ms comunes son los trifsicos). En los circuitos monofsicos slo una fase o conjunto de voltajes de onda de forma senoidal se aplican a los circuitos y nicamente en una fase circula corriente senoidal.

    En un sistema polifsico se aplican dos o ms voltajes senoidales a las diferentes partes del circuito y circulan en las mismas artes las correspondientes corrientes senoidales.

    Cada parte del sistema polifsico se conoce como fase y prcticamente se denominan FASE A, FASE B y Fase C y en la misma forma se designan los voltajes indicando voltajes de la fase A, voltaje de la fase B, etc., y las corrientes, corriente de la fase A, corriente de la fase B, etc.

    Los voltajes aplicados a un sistema polifsico se obtienen de una fuente de suministro plolifsica, tambin, de manera que cada fase est siempre separada, por ejemplo, en un sistema trifsico se tienen tres fases separadas. Los mtodos ms comunes de conectar los devanados de una mquina elctrica trifsica son en delta y en estrella, como se muestra a continuacin:

    a)        Conexin delta.

    b)       Conexin estrella.

    c)        Vectores de voltaje.

    Se puede observar que en tanto los voltajes en las terminales A, B y C, son los mismos para las conexiones delta y estrella.

    Los voltajes a travs de los devanados 1, 2 y 3 en los dos sistemas, no slo son de diferente magnitud, tambin se observa que sus direcciones no coinciden. Este hecho es importante en la conexin de transformadores, ya que puede provocar dificultades en al conexin de transformadores cuando no se tiene cuidado en esto.

    Conexin trifsica de transformadores.

    La transformacin trifsica se puede realizar por medio de tres transformadores monofsicos en conexin trifsica o por medio de transformadores trifsicos. Los mtodos de conexin de los devanados par a la conexin trifsica son los mismos, ya sea que se usen tres devanados en un transformador trifsico, o bien tres transformadores monofsicos por separado, en conexin tifsica. Las conexiones trifsicas ms comunes son las denominadas DELTA y ESTRELLA.

    Conexin DELTA-DELTA.

    Esta conexin se usa con frecuencia para alimentar cargas de alumbrado pequeas y cargas trifsica simultneamente. Para esto se puede localizar una derivacin o Tap en el punto medio del devanado secundario de uno de los transformadores conectndose a tierra y se conecta tambin al neutro del secundario. De esta manera, las cargas monorfsicas se conectan entre los conductores de fase y neutro, por lo tanto, el transformador con al derivacin en el punto medio toma dos terceras partes de la carga monofsica y una tercera parte de la carga trifsica. Los otros dos transformadores cada uno toma un tercio de las cargas monofsicas y trifsica.

    Para poder cargar al banco trifsico en forma balanceada, se deben cumplir con las siguientes condiciones:

    1.             todo los transformadores deben tener idntica relacin de transformacin.

    2.             Todos los transformadores deben tener el mismo valor de impedancia.

    3.             Todos los transformadores deben conectar en el mismo tap o derivacin.

    Conexin delta abierta-delta abierta.

    La conexin delta-delta representa en cierto modo la mas flexible de las conexiones trifsicas. Una de las ventajas de esta conexin, es que si uno de los transformadores se daa o se retira de servicio, los otros dos pueden continuar operando en la llamada conexin delta-abierta o V. Con esta conexin se suministra aproximadamente el 58% de la potencia que entrega un banco en conexin delta-delta.

    En la conexin delta abierta, las impedancias de los transformadores no necesitan ser iguales necesariamente, aunque esta situacin es preferible cuando es necesario cerrar la delta con un tercer transformador.

    La conexin delta abierta, se usa normalmente para condiciones de emergencia, cuando en una conexin delta-delta uno de los transformadores del banco se desconecta por alguna razn. En forma similar a la conexin delta-delta, del punto medio del secundario de uno de los transformadores se puede tomar una derivacin para alimentar pequeas cargas de alumbrado o bien otros tipos de cargas.

    Conexin estrella-delta.

    Esta conexin se usa con frecuencia para alimentar cargas trifsicas grandes de un sistema trifsico de alimentacin conectado en estrella. Tiene la limitante de que para alimentar cargas monofsicas y trifsicas en forma simultnea, no dispone del neutro.

    Por otra parte, tiene la ventaja relativa de que la impedancia de los tres transformadores no necesita ser la misma en esta conexin.

    Las relaciones entre corrientes y voltajes de fase de lnea a lnea para la conexin estrella delta, son las mimas que se tienen en la conexin delta-estrella estudiada en el prrafo anterior.

    Conexin estrella-estrella.

    Esta conexin se usa cuando se requiere alimentar grandes cargas monofsicas en forma simultnea, con cargas trifcicas. Tambin se usa slo si el neutro del primario se puede conectar slidamente al neutro de la fuente de alimentacin ya sea con un neutro comn o a travs de tierra. Cuando los neutros de ambos lados del banco de transformadores no se unen, el voltaje de lnea a neutro tiende a distorsionarse (no es senoidal). La conexin estrella-estrella, se puede usar tambin sin unir los neutros, a condicin de que cada transformador tenga un tercer devanado que se conoce como devanado terciario. Este devanado terciario est siempre conectado en delta.

    Con frecuencia, el devanado terciario se usa para alimentar los servicios de la Subestacin.

    Transformadores de una sola boquilla.

    En la conexin estrella-estrella, los transformadores que tienen slo la boquilla de tal tensin o primaria, esta boquilla se conecta a la lnea de alimentacin. La conexin especial en al parte externa del tanque del transformador, toma el lugar de la segunda boquilla de alta tensin y se debe conectar entre los tres transformadores y al hilo de neutro o tierra.

    Los transformadores de distribucin tienen una conexin instalada entre la boquilla de bajo voltaje del neutro y el tanque.

    Transformadores trifsicos.

    En trminos generales, un banco formado por tres transformadores monofsicos, se puede reemplazar por un transformador trifsico. Estos transformadores trifsicos, como se ha descrito en captulos anteriores, tienen un ncleo magntico con tres piernas, en donde se alojan los devanados primario y secundario de cada una de las fases. Los devanados se conectan internamente, en forma similar a los bancos de transformadores monofsicos, en cualquiera de las conexiones trifsicas, en cualquiera de las conexiones trifsicas, es decir, estrella-delta, delta abierta, etc.

    Para una capacidad dada, un transformador trifsico es siempre de menor tamao y ms barato que un banco formado por tres transformadores monofsicos con la misma capacidad. En alunas ocasiones, aun con lo mencionado antes, se prefiere el uso de bancos de transformadores monofsicos, especialmente cuando por mantenimiento y confiabilidad resulta importante la facilidad para reemplazar a una de las unidades.

    Conexin de transformadores en paralelo.

    Los transformadores se pueden conectar en paralelo por distintas razones, las principales estn relacionadas con problemas de confiabilidad y de incremento en la demanda. Cuando se excede o se est a punto de exceder la capacidad de un transformador ya en operacin.

    Para conectar los transformadores en paralelo y garantizar su correcta operacin, se deben cumplir ciertas condiciones como son:

    a)              Deben tener los mismos voltajes primarios y secundarios.

    b)              Deben tener los mismo valor de impedancia expresado en porciento o en por unidad.

    c)               Se debe verificar que la polaridad de los transformadores sea la misma.

    PRUEBAS A TRANSFORMADORES.

    Introduccin.

    Las pruebas se hacen en los transformadores y sus accesorios por distintas razones, durante su fabricacin, para verificar la condicin de sus componentes, durante la entrega, durante su operacin como parte del mantenimiento, despus de su reparacin, etc.

    Algunas de las pruebas que se hacen en los transformadores e consideran como bsicas y algunas otras varan de acuerdo a la condicin individual de los transformadores y pueden cambiar de acuerdo al tipo de transformador, por lo que existen distintas formas de clasificacin de las pruebas a transformadores, por ejemplo algunos las clasifican en prueba de baja tensin y prueba de alta tensin. Tambin se pueden agrupar como pruebas preliminares, intermedias y de verificacin (Finales).

    Las pruebas preliminares se realizan cuando un transformador se ha puesto fuera de servicio para mantenimiento programado o para revisin programada o bien ha tenido aluna falla. Las pruebas se realizan antes de abrir el transformador y tienen el propsito general de encontrar el tipo y naturaleza de la falla. Las llamadas pruebas preliminares incluyen:

    1.       Prueba al aceite del transformador.

    2.       Medicin de la resistencia de aislamiento de los devanados.

    3.       Medicin de la resistencia ohmica de los devanados.

    4.       Determinacin de las caractersticas del aislamiento.

    Las llamadas pruebas intermedias, como su nombre lo indican se realizan durante el transcurso de una reparacin o bien en las etapas intermedias de la fabricacin, cuando el transformador est en proceso de armado o bien desarmado (segn sea el caso) y el tipo de pruebas depende del propsito de la reparacin o la etapa de fabricacin, por lo general se hacen cuando las bobinas \no han sido montadas o desmontadas (segn sea el caso) y son principalmente las siguientes:

    1.         Medicin de la resistencia de aislamiento de tornillos y herrajes contra el ncleo.

    2.         Prueba de la resistencia de aislamiento de tornillos y herrajes por voltaje aplicado.

    3.         Prueba de las boquillas por medio de voltajes aplicado.

    Cuando se han desmontado las bobinas durante un trabajo de reparacin, entonces las pruebas se incrementan.

    Las pruebas finales se hacen sobre transformadores terminados de fabricacin o armados totalmente despus de una reparacin e incluyen las siguientes:

    1.       Prueba al aceite del transformador.

    2.       Medicin de la resistencia de aislamiento.

    3.       Prueba de relacin de transformacin.

    4.       Determinacin del desplazamiento de fase de los grupos de bobinas.

    5.       Determinacin de las caractersticas del aislamiento.

    6.       Prueba del aislamiento por voltaje aplicado.

    7.       Prueba para la determinacin de las prdidas en vaco y en corto circuito (determinacin de impedancia).

    8.       Prueba del aislamiento entre espiras por voltaje inducido.

    9.       Medicin de la corriente de vaco y la corriente de excitacin.

    El orden de las pruebas no es necesariamente el mencionado anteriormente,. Y de hecho existen normas nacionales e internacionales que recomiendan que pruebas y en que orden se deben realizar, as como cuando se deben efectuar.

    Pruebas al aceite del transformador.

    El aceite de los transformadores se somete por lo general a pruebas de rigidez dielctrica, prueba de prdidas dieltricas y eventualmente anlisis qumico.

    Cuando se trata de pruebas de campo, la condicin del aceite se puede determinar por dos pruebas relativamente simples. Una que compra el color de una muestra de aceite del transformador bajo prueba, con un conjunto o panel de colores de referencia que dan un indicacin de la emulsificacin que puede tener lugar. El recipiente en que se toma la muestra debe enjuagar primero con el propio aceite de la muestra ya debe ser tomado de la parte inferior del transformador de la vlvula de drenaje.

    Cuando se usa un probador de color, al muestra de aceite se debe colocar en tubo de vidrio transparente que se introduce en una pare del probador diseada ahora tal fin. Se tiene un pequeo disco que gira y que tiene distintos colores de referencia, cuando el color le disco es similar al de la muestra, aparece la designacin numrica del color de la muestra de aceite. De hecho esta prueba sirve para verificar el grado de oxidacin de la aceite y debe marcar 0.5 para aceites nuevos y 5 mximo para aceites usados.

    En el rango de color amarillo, naranja y rojo indican que el transformador puede tener daos severos.

    Prueba de rigidez dielctrica del aceite.

    Esta prueba se hace en un probador especial denominado probador de rigidez dielctrica del aceite. En este caso, la muestra de aceite tambin se toma de la parte inferior del transformador, por medio de la llamada vlvula de drenaje y se vaca en un recipiente denominado copa estndar que puede ser de porcelana o de vidrio y que tiene una capacidad del orden de litro. En ocasiones el aceite se toma en un recipiente de vidrio y despus se vaca a la copa estndar que tiene dos electrodos que pueden ser planos o esfricos y cuyo dimetro y separacin est normalizado de acuerdo al tipo de prueba. El voltaje aplicado entre electrodos se hace por medio de un transformador regulador integrado al propio aparato probador. Despus de llenada la copa estndar se debe esperar alrededor de 20 minutos para permitir que se eliminen las burbujas de aire del aceite antes de aplicar el voltaje; el voltaje se aplica energizando el aparato por medio de un switch que previamente se ha conectado ya un contacto o fuente de alimentacin comn y corriente. El voltaje se eleva gradualmente por medio de la perilla o manija del regulador de voltaje, la tensin o voltaje se ruptura se mide por medio de un voltmeto graduado en kilovolts.

    Existen de cuerdo distintos criterios de prueba, pero en general se puede afirmar que se pueden aplicar seis rupturas dielctricas con intervalos de 10 minutos., la primero no se toma en cuenta, y el promedio de las otras cinco se toma como la tensin de ruptura o rigidez dielctrica. Normalmente la rigidez dielctrica en los aceites aislantes se debe comportar en la forma siguiente:

    Aceites degradados y contaminados De 10 a 28 kV

    Aceites carbonizados no degradados De 28 a 33 kV

    Aceites Nuevo sin desgasificar De 33 a 44 kV

    Aceite Nuevo desgasificado De 40 a 50 kV

    Aceite regenerado De 50 a 60 kV

    Prueba de resistencia de aislamiento.

    La prueba de resistencia de aislamiento en transformadores sirve no solo ara verificar la calidad del aislamiento en transformadores, tambin permite verificar el grado de humedad y en ocasiones defectos severos en el aislamiento.

    La resistencia de aislamiento se mide por medio de un aparato conocido como MEGGER. El megger consiste de una fuente de alimentacin en corriente directa y un sistema de medicin. La fuente es un pequeo generador que se puede accionar en forma manual o elctricamente. El voltaje en terminales de un megger vara de acuerdo al fabricante y a si se trata de accionamiento manual o elctrico, pero en general se pueden encontrar en forma comercial megger de 250 votls, 1000 volts y 2500 volts. La escala del instrumento est graduada para leer resistencias de aislamiento en el rango de 0 a 10,000 megohms.

    La resistencia de aislamiento de un transformador se mide entre los devanados conectados todos entre s, contra el tanque conectado a tierra y entre cada devanado y el tanque, con el resto de los devanados conectados a tierra.

    Para un transformador de dos devanados se deben tomar las siguientes medidas:

          Entre el devanado de alto voltaje y el tanque con el devanado de bajo voltaje conectado a tierra.

          Entre los devanados de lato voltaje y bajo voltaje conectado entre si, contra el tanque.

    Estas mediciones se pueden expresar en forma sintetizada como:

    Alto Voltaje Vs. Tanque + bajo voltaje a tierra.

    Bajo voltaje Vs. Tanque + alto voltaje a tierra.

    Alto voltaje + bajo voltaje Vs. Tanque a tierra.

    Cuando se trata de transformadores con tres devanados las mediciones que se deben efectuar son las siguientes:

          Alto voltaje (primario) Vs. Tanque con los devanados de bajo voltaje (secundario) y medio voltaje (terciario) a tierra.

          Medio voltaje (terciario) Vs. Tanque con los devanados e alto voltaje y bajo voltaje a tierra.

          Bajo voltaje (secundario) Vs. Tanque, con los devanados de alto voltaje y medio voltaje a tierra.

          Alto voltaje y medio voltaje juntos Vs. Tanque, con el devanado de bajo voltaje a tierra.

          Alto voltaje + medio voltaje + bajo voltaje Vs. Tanque.


    BIBLIOGRAFIA

    Mquinas Elctricas y transformadores.

    Edwin Kosow

    El ABC de las Mquinas Elctricas

    Enrquez Harper

     
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