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El transformador de potencia electrica

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El fenómeno de inducción electromagnética en el que se basa el funcionamiento del transformador fue descubierto por Michael Faraday en 1831, se basa fundamentalmente en que cualquier variación de flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado genera una corriente inducida, y en que la corriente inducida sólo permanece mientras se produce el cambio de flujo magnético.

Agregado: 09 de SEPTIEMBRE de 2009 (Por José Mario Cauich Kú) | Palabras: 2384 | Votar! |
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Categoría: Apuntes y Monografías > Ciencia y tecnología >
Material educativo de Alipso relacionado con transformador potencia electrica
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    INTRODUCCION

    El fenómeno de inducción electromagnética en el que se basa el funcionamiento del transformador fue descubierto por Michael Faraday en 1831, se basa fundamentalmente en que cualquier variación de flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado genera una corriente inducida, y en que la corriente inducida sólo permanece mientras se produce el cambio de flujo magnético.

    La primera "bobina de inducción" para ver el uso de ancho fueron inventadas por el Rev. Nicholas Callan College de Maynooth, Irlanda en 1836, uno de los primeros investigadores a darse cuenta de que cuanto más se convierte el secundario, en relación con el bobinado primario, el más grande es el aumento de la CEM.

    Los científicos e investigadores basaron sus esfuerzos en evolucionar las bobinas de inducción para obtener mayores voltajes en las baterías. En lugar de corriente alterna (CA), su acción se basó en un vibrante "hacer-y-break" mecanismo que regularmente interrumpido el flujo de la corriente directa (DC) de las pilas.

    Entre la década de 1830 y la década de 1870, los esfuerzos para construir mejores bobinas de inducción, en su mayoría por ensayo y error, reveló lentamente los principios básicos de los transformadores. Un diseño práctico y eficaz no apareció hasta la década de 1880, pero dentro de un decenio, el transformador sería un papel decisivo en la “Guerra de Corrientes”, y en que los sistemas de distribución de corriente alterna triunfo sobre sus homólogos de corriente continua, una posición dominante que mantienen desde entonces.

    En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación basado en un conjunto de bobinas de inducción en el que el bobinado primario se conectaba a una fuente de corriente alterna y los devanados secundarios podían conectarse a varias “velas eléctricas” (lámparas de arco), de su propio diseño. Las bobinas utilizadas en el sistema se comportaban como transformadores primitivos. La patente alegó que el sistema podría, “proporcionar suministro por separado a varios puntos de iluminación con diferentes intensidades luminosas procedentes de una sola fuente de energía eléctrica”.

    En 1878, los ingenieros de la empresa Ganz en Hungría asignado parte de sus recursos de ingeniería para la fabricación de aparatos de iluminación eléctrica para Austria y Hungría.

    En 1883, realizaron más de cincuenta instalaciones para dicho fin. Ofrecían un sistema que constaba de dos lámparas incandescentes y de arco, generadores y otros accesorios.

    En 1882, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs expusieron por primera vez un dispositivo con un núcleo de hierro llamado "generador secundario" en Londres, luego vendió la idea de la compañía Westinghouse de Estados Unidos.

    También fue expuesto en Turín, Italia en 1884, donde fue adaptado para el sistema de alumbrado eléctrico.

    El nacimiento del primer transformador.

    Entre 1884 y 1885, los ingenieros húngaros Zipernowsky, Bláthy y Deri de la compañía Ganz crearon en Budapest el modelo “ZBD” de transformador de corriente alterna, basado en un diseño de Gaulard y Gibbs (Gaulard y Gibbs sólo diseñaron un modelo de núcleo abierto). Descubrieron la fórmula matemática de los transformadores:

    \frac{Vs}{Vp}=\frac{Ns}{Np}(Donde Vs es el voltaje en el secundario y Ns es el número de espiras en el secundario, Vp y Np se corresponden al primario)

    Su solicitud de patente hizo el primer uso de la palabra "transformador", una palabra que había sido acuñada por Bláthy Ottó.

    En 1885, George Westinghouse compro las patentes del ZBD y las de Gaulard y Gibbs. Él le encomendó a William Stanley la construcción de un transformador de tipo ZBD para uso comercial.

    Este diseño se utilizó por primera vez comercialmente en 1886.

    Otra información de interés

    El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribución de la energía eléctrica que usaba transformadores se puso en operación en 1886 en Great Barington, Massachussets, en los Estados Unidos de América. En ese mismo año, la electricidad se transmitió a 2000 voltios en corriente alterna a una distancia de 30 kilómetros, en una línea construida en Cerchi, Italia

    “TRANSFORMADORES “

    El transformador funciona según el principio de la inducción mutua entre dos o más bobinas o circuitos acoplados inductivamente. Un transformador teórico con núcleo de aire en el cual están acoplados dos circuitos por inducción magnética, observando que los circuitos no están físicamente conectados (o sea no existe unión conductora entre ellos).

    CONSTRUCCION

    Estas son las partes constructivas que forman parte del transformador:

    -          Pasa-tapas de entrada: conectan el bobinado primario del transformador con la red eléctrica de entrada a la estación o subestación transformadora.

    -          Pasa-tapas de salida: conectan el bobinado secundario del transformador con la red eléctrica de salida a la estación o subestación transformadora.

    -          Cuba: es un depósito que contiene el líquido refrigerante (aceite), y en el cual se sumergen los bobinados y el núcleo metálico del transformador.

    -          Depósito de expansión: sirve de cámara de expansión del aceite, ante las variaciones se volumen que sufre ésta debido a la temperatura.

    -          Indicador del nivel de aceite: permite observar desde el exterior el nivel de aceite del transformador.

    -          Relé Bucholz: este relé de protección reacciona cuando ocurre una anomalía interna en el transformador, mandándole una señal de apertura a los dispositivos de protección.

    -          Desecador: su misión es secar el aire que entra en el transformador como consecuencia de la disminución del nivel de aceite.

    -          Termostato: mide la temperatura interna del transformador y emite alarmas en caso de que esta no sea la normal.

    -          Regulador de tensión: permite adaptar la tensión del transformador para adaptarla a las necesidades del consumo. Esta acción solo es posible si el bobinado secundario está preparado para ello.

    -          Placa de características: en ella se recogen las características más importantes del transformador, para que se pueda disponer de ellas en caso de que fuera necesaria conocerlas.

    -          Grifo de llenado: permite introducir líquido refrigerante en la cuba del transformador.

    -          Radiadores de refrigeración: su misión es disipar el calor que se pueda producir en las carcasas del transformador y evitar así que el aceite se caliente en exceso.

    CONEXIONES

    a) Conexión delta -delta.

    Se utiliza esta conexión cuando se desean mínimas interferencias en el sistema. Además, si se tiene cargas desequilibradas, se compensa dicho equilibrio, ya que las corrientes de la carga se distribuyen uniformemente en cada uno de los devanados. La conexión delta-delta de transformadores monofásicos se usa generalmente en sistemas cuyos voltajes no son muy elevados especialmente en aquellos en que se debe mantener la continuidad de unos sistemas. Esta conexión se emplea tanto para elevar la tensión como para reducirla.

    En caso de falla o reparación de la conexión delta-delta se puede convertir en una conexión delta abierta-delta abierta.

    b) Conexión estrella-delta.

    La conexión estrella-delta es contraria a la conexión delta-estrella; por ejemplo en sistema de potencia, la conexión delta-estrella se emplea para elevar voltajes y la conexión estrella-delta para reducirlos. En ambos casos, los devanados conectados en estrella se conectan al circuito de más alto voltaje, fundamentalmente por razones de aislamiento. En sistemas de distribución esta conexión es poco usual, salvo en algunas ocasiones para distribución a tres hilos.

    c) Conexión estrella-estrella.

    Las corrientes en los devanados en estrella son iguales a las corrientes en la línea. Si las tensiones entre línea y neutro están equilibradas y son sinuosidades, el valor eficaz de las tensiones respecto al neutro es igual al producto de 1/"3 por el valor eficaz de las tensiones entre línea y línea y existe un desfase de 30º entre las tensiones de línea a línea y de línea a neutro más próxima.

    Las tensiones entre línea y línea de los primarios y secundarios correspondientes en un banco estrella-estrella, están casi en concordancia de fase.

    Por tanto, la conexión en estrella será particularmente adecuada para devanados de alta tensión, en los que el aislamiento es el problema principal, ya que para una tensión de línea determinada las tensiones de fase de la estrella sólo serían iguales al producto 1/ "3 por las tensiones en el triángulo.

    d) Conexión delta-estrella.

    La conexión delta-estrella, de las más empleadas, se utiliza en los sistemas de potencia para elevar voltajes de generación o de transmisión, en los sistemas de distribución (a 4 hilos) para alimentación de fuerza y alumbrado.

    3. Que importancia tiene la conexión a tierra de los neutros de transformadores trifásicos, en su comportamiento en vacío.

    Su importancia radica en que por medio del neutro es posible la circulación de las corrientes armónicas y con esto se logra variar la distorsión de la señal de entrada. De existir esta distorsión, también se transmitirá al secundario y por ende, a las cargas conectadas a el.

    4. Que efecto produce un terciario en una conexión Delta, en transformadores trifásicos funcionando en vacío.

    El diseño de los devanados terciarios está determinado por las conexiones del sistema y los resultados que se espera obtener del triángulo de terciarios.

    Por ejemplo, si están aislados los neutros de los primarios y los secundarios y el triángulo de terciarios no alimenta a carga alguna, las únicas corrientes que pueden circular por los devanados terciarios son los terceros armónicos o corrientes de excitación de secuencia cero y en consecuencia, los devanados pueden ser relativamente finos. Sin embargo, el neutro de la estrella de alta tensión suele estar puesto a tierra, y a veces lo están ambos neutros. En estas condiciones las averías de puesta a tierra de las líneas de alta tensión pueden inducir corrientes muy intensas en el terciario y éstos deberán poder soportar el calentamiento y las fuerzas mecánicas ocasionadas por ellas. A menudo, el triángulo de terciarios alimenta una carga.

    Por ejemplo circuitos auxiliares de una subcentral, o condensadores estáticos para regulación del factor de potencia y de la tensión. En estas condiciones el triángulo de terciarios debe soportar los efectos de cortocircuitos entre sus propios termina­les.

    5. En que tipo de transformadores trifásicos las fases tienen independencia magnética. En que tipo son dependientes

    En los transformadores de columna existe dependencia magnética. Como muestra la figura, los flujos son mutuamente dependientes.

    'El transformador trifásico'

    Fig.7. Transformador tipo columna en que muestra dependencia magnética-

    Al llegar al punto c, estos flujos se suman dando origen a 3I0. Si uno de estos flujos varia, los otros también lo hacen para compensar la suma 3I0.

    En el caso de transformadores acorazados, existe independencia magnética. Como se aprecia en la figura, cada una de las bobinas tiene una circulación de flujo independiente de otra.

    'El transformador trifásico'

    Fig.8. Transformador tipo acorazado que muestra independencia magnética.

    6. Como se relaciona el circuito equivalente por fase con las mediciones trifásicas.

    Los circuitos se pueden relacionar mediante las siguientes ecuaciones:

    S3ð= Potencia aparente por fase  If = Corriente de fase  I1 = Corriente de línea  V1 = tensión de línea

    Vf : tensión por fase   Suponiendo que el sistema trifásico esta en equilibrio, se tiene que:

    Van = Vfn  Ian = Ifn  San = Ian * Vfn => San = Sf  Vfn = V1 /3  San = Sf =

    “Transformadores de potencia y extra alta tensión tipo columnas

    (large core) “

    Equipo diseñado y fabricado de acuerdo con normas y especificaciones nacionales e internacionales, para aplicación en subestaciones de tipo intemperie, reductoras o elevadoras de la tensión; así como para alimentación de la tensión de cargas trifásicas o monofásicas industriales a niveles de subtransmisión.

    CARACTERISTICAS GENERALES:

    Capacidades: de 10 hasta 120 MVA Voltaje de AT: de 15 hasta 400 kv. Voltaje de BT: de 2,4 hasta 115 kv.

    “Transformadores tipo acorazado para horno de arco eléctrico.”

    Equipo útil en la industria de la producción de hierro y acero a partir de la fusión de chatarra, como alimentador de los electrodos que producen el arco eléctrico necesario para la fusión; diseñado de acuerdo con normas nacionales e internacionales.

    CARACTERISTICAS GENERALES:

    Capacidades: de 5 hasta 200 MVA  Voltaje de A.T: de 13,8 hasta 69 kV   Voltaje de B.T: de 60 hasta 2 000 V

    “Reactores limitadores de corriente “

    Equipo para aplicación en subestaciones de potencia, como limitador de corrientes de falla del sistema o de la corriente de arranque de máquinas, para enlazar 2 ó más buses de generadores a un bus común, para sincronización de circuitos y para paralelaje de Transformadores de diferente impedancia, entre otros usos; diseñado de acuerdo con normas nacionales e internacionales.

    CARACTERISTICAS GENERALES:

    Capacidades : hasta 5 000 Kva  Tipo de enfriamiento : AA  No. de fases :1 ó 3  Frecuencia : 60 Hz   Voltaje : hasta 34,5 kV   Corriente nominal : hasta 2 000 A  Elevación de temperatura: 80°C sobre un ambiente máximo de 40°C y promedio de 30°C en un período de 24 horas. Altura de operación: 1 000 m.s.n.m

    “Transformadores de mediana potencia tipo subestación.”

    Equipo ideal en subestaciones de tipo intemperie reductoras o elevadoras de voltaje, para alimentar cargas trifásicas o monofásicas industriales en niveles de subtransmisión; diseñado de acuerdo con normas nacionales e internacionales.

    CARACTERISTICAS GENERALES:

    Capacidades: Monofásicos de 5 hasta 20 MVA,  Trifásicos de 5 hasta 60 MVA  Tipo de enfriamiento: OA, OA/FA, OA/FA/FA, OA/FA/FOA, FOA  No. de fases: 1 ó 3   Frecuencia.: 60 Hz   Voltaje de AT: de 13,8 hasta 161 kV   Conexión AT: Delta o Estrella   Voltaje de BT: de 2,4 hasta 34,5 kV   Conexión BT: Delta o Estrella   Elevación de temperatura : 55°, 65° ó 55°/65° C sobre un ambiente máximo de 40°C y  promedio de 30°C en un período de 24 horas  Altura de operación : 1 000 m.s.n.m. Líquido refrigerante : Aceite mineral.

    El reactor eléctrico de potencia.

    Los reactores de potencia son el medio más compacto y de mejor relación coste-eficacia para compensar la generación capacitiva en líneas de alta tensión de transmisión larga o en sistemas de cables de gran longitud.

    Las soluciones alternativas son más costosas, se traducen en mayores pérdidas, requieren más equipos y exigen recursos adicionales. Usados en servicio permanente para estabilizar la transmisión de potencia, o conectados solamente en condiciones de carga ligera para control de tensión, los reactores de potencia combinan alta eficacia con bajos costes de ciclo de vida para reducir los costes de transmisión y aumentar los beneficios. Puesto que la corriente capacitiva es proporcional al voltaje del sistema, los volts-ampere reactivos son proporcionales al cuadrado del voltaje de la línea. Esta energía reactiva debe ser controlada, pues de lo contrario, puede provocar grandes sobre tensiones en las terminales de los equipos conectados al sistema de potencia.

    CONEXIÓN.

    CONCLUSIÓN: EL TRANSFORMADOR ES UNA MAQUINA MUY VERSATIL Y FLEXIBLE.

     
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