Contenido: Conceptos generales de los transformadores. Principios de inducción electromagnética. Principio de funcionamiento del transformador. El diagrama fasorial del transformador en vacío. El diagrama fasorial con carga. El concepto de reactancia de dispersión. El circuito equivalente de un transformador. Diagrama fasorial a plena carga. Determinación de las constantes del transformador. La prueba de corto circuito en el transformador. Pérdidas en los devanados a plena carga.
Conceptos generales de los transformadores
Una de las máquinas eléctricas que desempeña un papel fundamental en el proceso producción utilización de la energía eléctrica es el llamado transformador. Aquí, conviene hacer una revisión genérica sobre las formas de obtención de la energía eléctrica en las llamadas centrales eléctricas, mediante un proceso de con versión de la energía y en donde las fuentes primarias pueden ser el agua en forma de caídas de agua o caudal en los ríos, denominadas hidroeléctricas, también pueden tener como energía primaria elementos derivados del petróleo que accionan primo motores mediante vapor obtenido de un proceso térmico y que se conocen como termoeléctricas, o bien aquellas que usan vapor natural obtenido del subsuelo y que se conocen como geotermoelectricas , aquellas que tienen como fuente primaria de energía, materiales nucleares como el uranio se denominan nucleoelectricas.
Para cada uno de estos tipos, existen variantes en cuanto a principio de funcionamiento y tamaño, el estudio de este tema es materia de otras publicaciones, lo que se debe hacer notar, es que en la mayoría de los casos, los centros de producción de la energía eléctrica, se encuentran distantes de los centros de consumo, lo que hace necesario que esta energía se transmita hasta cientos y en ocasiones llegan a miles de kilómetros, para poder hacer esto, es necesario el uso de los llamados transformadores que en este caso tienen la función de elevar los voltajes de generación a voltajes apropiados para la transmisión.
De igual forma, los voltajes usados en la transmisión no son apropiados para su utilización en las distintas aplicaciones de la energía eléctrica y es necesario entonces, reducirlos a distintos niveles adecuados a cada aplicación, esto requiere del uso de transformadores reductores, éstos, como los elevadores se les denomina en general como transformadores de potencia.
Existen bajo el mismo principio de operación otros tipos de transformadores, que se llaman de instrumento o para aplicaciones específicas.
La invención del transformador, data del año de 1884. Para ser aplicado en los sistemas de transmisión que en esa época eran de corriente directa y presentaban limitaciones técnicas y económicas.
El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribución de la energía eléctrica que usaba transformadores, se puso en operación en los estados unidos de América, en el año de 1886, en Great Barrington, Mass.
En ese mismo año, la potencia eléctrica se transmitió a 2000 volts en corriente alterna a una distancia de 30 kilómetros, en una línea construida en Cerchi, Italia.
A partir de estas pequeñas aplicaciones iniciales, la industria eléctrica en el mundo, ha crecido de 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 móviles, el cual transfiere la energía eléctrica de un circuito a otro bajo el principio de inducción electromagnética. La transferencia de energía la hace por lo general con cambios en los valores de voltajes y corrientes.
Un transformador elevador recibe la potencia eléctrica a un valor de voltaje y la entrega a un valor más elevado, en tanto que un transformador reductor recibe la potencia a un valor alto de voltaje y la entrega a un valor bajo.
Principios de inducción electromagnética
Como se sabe, la electricidad produce magnetismo en un electro imán, que es distinto de un imán permanente, ya que el campo magnético se produce sólo cuando las espiras de alambre arrolladas, alrededor del núcleo magnético, transportan corriente eléctrica.
El proceso de inducción electromagnética se muestra como se induce un voltaje en una bobina cuando un imán permanente se mueve alternativamente hacia adentro y hacia fuera de la bobina. A este proceso se le conoce en el estudio del electromagnetismo como «inducción electromagnética». Se pueden destacar tres importantes hechos.
1. Cuando el imán permanente no se mueve dentro de la bobina, no se produce voltaje.
2. Si el imán permanente se mueve hacia afuera de la bobina, el vóltmetro muestra un voltaje en una polaridad (se dice que la corriente fluye en una dirección)
3. si el imán permanente se mueve hacia el interior de la bobina, el vóltmetro muestra un voltaje en la otra polaridad (se dice que la corriente fluye en la otra dirección).
Cuando se mueve el imán permanente hacia el interior de la bobina, el campo se hace intenso y cuando se mueve hacia afuera, se debilita. Por supuesto que si el imán no se mueve en la bobina, no existe cambio en el campo magnético y no se induce ningún voltaje en la bobina. Este hecho constituye una de las leyes básicas de la electricidad.
Otro aspecto importante de la inducción electromagnética, es lo que se conoce como la autoinducción de una bobina. Una forma de explicar, por medio de una demostración el fenómeno de autoinducción, consiste en conectar una lámpara de neón a través de lo que se conoce como un electromagneto.
Principio de funcionamiento del transformador
El principio de funcionamiento del transformador, se puede explicar por medio del llamado transformador ideal monofásico, es decir, una máquina que se alimenta por medio de una corriente alterna monofásica.
A reserva de estudios con mayor detalle, la construcción del transformador, se puede decir que un transformador está constituido por un núcleo de material magnético que forma un circuito magnético cerrado, sobre cuyas columnas o piernas se localizan dos devanados, uno denominado «primario» que recibe la energía y el otro el secundario, que se cierra sobre un circuito de utilización al cual entrega la energía. Los dos devanados se encuentran eléctricamente aislados entre sí.
El voltaje en un generador eléctrico se induce, ya sea cuando una bobina se mueve en un campo magnético, o bien cuando el campo producido en los polos en movimiento cortan una bobina estacionaria.
En ambos casos, el flujo total es sustancialmente constante, pero hay un cambio en la cantidad de flujo que eslabona la bobina. Este mismo principio es válido para el transformador, solo que en este caso las bobinas y el circuito magnético son estacionarios (no tienen movimiento), en tanto que el flujo magnético cambia continuamente.
El cambio en el flujo se puede obtener aplicando una corriente a la terna en la bobina.
La corriente, a través de la bobina, varia en magnitud con el tiempo, y por lo tanto, el flujo producido por esta corriente, varía también 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 caída de voltaje por resistencia del devanado primario, el valor de E1 será igual y de sentido opuesto al voltaje aplicado V1. De la ley de inducción electromagnética, se sabe que este voltaje inducido el en el devanado primario y también al índice de cambio del flujo en la bobina. Se tienen dos relaciones importantes.
Al mismo tiempo que el flujo cambia en la bobina primaria, también cambia en la bobina secundaria, dado que ambas bobinas se encuentran dentro del mismo medio magnético, y entonces el índice de cambio del flujo magnético en ambas bobinas es exactamente el mismo.
Este cambio en el flujo inducirá un flujo E2 en la bobina secundaria que será proporcional al número 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.
En virtud de que ambas bobinas se encuentran devanadas en el mismo circuito magnético, 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/ E2 = N1/N2
Además, como numéricamente deben ser iguales E1 y V1 y E2 con V2 la ecuación anterior se puede escribir como:
V1/ V2 = N1/N2
El diagrama fasorial del transformador en vacío
Cuando un transformador está energizado en su devanado primario por una fuente de voltaje y el devanado secundario está en circuito abierto, circula por su devanado primario una corriente de vacío, esta corriente es normalmente inferior al 5% de la corriente a plena carga.
Debido a que no circula corriente por el devanado secundario, el primario se puede considerar como una bobina con una reactancia de valor elevado debido al núcleo de hierro, esto causa la circulación de una corriente pequeña. Por otra parte, si se hace la suposición de que no hay pérdidas en el transformador, la corriente en el primario sólo se usa para producir el flujo f en el núcleo y entonces en términos vectoriales se atrasa 90 con respecto al voltaje aplicado.
El diagrama fasorial con carga
En esta parte se hará una breve revisión de las condiciones de operación del transformador cuando se encuentra bajo condiciones de carga en las terminales de su devanado secundario. La corriente que circula a través del devanado secundario, debe circular en tal dirección que se oponga al flujo producido por la corriente primaria.
Cuando el voltaje se reduce momentáneamente, el voltaje inducido en el devanado primario, también se reduce y por lo tanto tiende a circular más corriente en este devanado. Este incremento en la corriente, producirá que el flujo se incremente a su valor original. Cuando circula más corriente en el devanado secundario, el proceso se repite y la corriente primaria se volverá a incrementar.
El concepto de reactancia de dispersión
Como se ha mencionado anteriormente, se ha partido de la suposición que todo el flujo f producido por el devanado primario, eslabona y corta a cada espira de los devanados primario y secundario.
Esto significa que existe un acoplamiento magnético perfecto o en otras palabras, que existe un coeficiente de acoplamiento del 100 por ciento.
Sin embargo, parte del flujo producido por el devanado primario eslabona solo la espiras primarias como un flujo f 1 . También parte del flujo producido por la corriente secundaria I2 eslabona solo a la propia bobina secundaria como f 2 . Estos flujos f 1 Y f 2 se conocen como “flujos dispersos”, es decir son “flujos que quedan fuera del núcleo y no eslabonan ambos devanados”.
El flujo que no pasa completamente a través del núcleo y eslabona ambos devanados, se conoce como el flujo mutuo y se designa como M f . Desde luego que el flujo disperso y el flujo mutuo varían a la misma frecuencia y por lo tanto inducirán voltajes en ambos devanados.
Estos voltajes son distintos y menores que los voltajes inducidos, E1 y E2 producidos por el flujo mutuo M f esto se debe al flujo disperso relativo y al número de espiras relativamente bajo que son eslabonadas. Los voltajes producidos por los dos flujos dispersos reaccionan como si fueran inducidos en bobinas separadas que están en serie por cada uno de los devanados, debido a esto, los flujos dispersos se pueden reemplazar por reactancias puras y se conocen como «reactancias dispersas» X1 y X2.
El circuito equivalente de un transformador
Hasta ahora se ha hecho una breve descripción del transformador para sus condiciones de operación en vacío, tomando en consideración que la llamada corriente de vacío es muy pequeña en comparación con la corriente de plena carga, para el estudio del llamado circuito equivalente del transformador, por lo general, se desprecia y por otra parte, tratando de simplificar el estudio, se considera que se tiene un transformador de relación 1:1 de manera que los voltajes y corrientes tengan una referencia común en el diagrama.
Se considera que se aplica un voltaje en el devanado primario y se conecta una carga en el secundario, entonces las corrientes primaria y secundaria son iguales, dado que se está suponiendo una relación de transformación de 1:1, debido a la resistencia (Rl) y reactancia (XI) del devanado primario, se presentará una caída de voltaje, que se resta al voltaje aplicado V1, dando así el voltaje inducido el producido por el flujo mutúo M f : voltaje E2 que por el tener relación 1:1 es igual E1 también se induce por el flujo M f en el devanado secundario.
Este voltaje E2 no es el que aparece en las terminales del devanado, debido a que la corriente de carga I2 produce una caída de voltaje en la resistencia secundaria (R2) y en la reactancia de voltaje en la resistencia secundaria (X2). En la figura siguiente se muestra este circuito simplificado.
Diagrama fasorial a plena carga
Tomando en consideración las condiciones indicadas en el párrafo anterior, se supone que si en las terminales del devanado secundario se conecta un vóltmetro, un ampérmetro y un wattmetro, se pueden hacer mediciones del voltaje secundario V2, la corriente de carga. I2 y también calcular el factor de potencia de la carga. Si se designa por f 2 este factor de potencia y se considera como atrasado, tomando como referencia el voltaje V2 se tiene el diagrama para las relaciones de carga.
Determinación de las constantes del transformador
Los valores reales de resistencia y reactancia de los devanados de un transformador, se pueden obtener de pruebas de laboratorio mediante mediciones y algunos cálculos relativamente simples y que son la base de los valores usados en los circuitos equivalentes.
Algunos de estos valores o parámetros del transformador obtenidos para el transformador pueden no existir físicamente, pero pueden ayudar a comprender la operación 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 conexión 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 tensión que representa un pequeño porcentaje del voltaje del devanado por alimentar, de tal forma, que en los devanados circulen las corrientes nominales. En estas condiciones se miden las corrientes nominales y la potencia absorbida.
Debido a que la tensión aplicada es pequeña en comparación con la tensión nominal, las pérdidas en vacío o en el núcleo se pueden considerar como despreciables, de manera que toda la potencia absorbida es debida a las pérdidas por efecto joule en los devanados primario y secundario.
Pérdidas 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 pequeño, de manera que las pérdidas en el núcleo son despreciables. Sin embargo, la corriente que circula a través de la resistencia de los devanados produce las mismas pérdidas en éstos, que cuando opera en condiciones de plena carga, esto se debe a que en ambos devanados se hace circular la corriente nominal.
Fuente: Apuntes de la materia de maquinaria y automatización / unideg