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DISEÑO DE TRANSFORMADORESMONOFASICOS

Diego SamaniegoMarcelo Merchan

Jose Siguencia

Resumen—El diseño de cualquier equipo es un proceso decálculo mediante el cual se trata de determinar sus dimensio-nes geométricas, de modo de obtener un comportamiento pre-especificado Así, en el proceso de diseño se pueden distinguir: 1.Especificaciones, o características de funcionamiento deseadas. 2.Algoritmo de diseño, o secuencia lógica de relaciones que permi-ten determinar las dimensiones a partir de las especificacionesy de ciertos valores supuestos en base a experiencia en diseñossimilares. 3. Análisis del comportamiento del diseño definitivo,comparación con el comportamiento requerido (especificaciones)y repetición del proceso si es necesario corregir el diseño.

Index Terms—hhh

I. DISEÑO DE TRANSFORMADORESMONOFASICOS

El sistema magnético estará formado por dos bobinas (unade primario y otra de secundario) arrolladas sobre un ca-rrete que cada grupo elegirá entre los que se encuentren adisposición de los grupos en el laboratorio de Electrotecniay un núcleo ferromagnético formado por chapas magnéticasque permitirá que el flujo común a ambas bobinas enlacemagnéticamente los circuitos de primario y secundario.

El circuito magnético del transformador monofásico disponede dos caminos en paralelo por los que volverá el flujo quecircula por la columna central.

En la I se esquematiza esa circulación de flujos.En la I puede verse las distintas partes de un transformador

monofásico

Figura 1. Esquema del transformador monofasico

Figura 2. Esquema del transformador monofasico (Planta)

El circuito magnético de un transformador monofásico estácaracterizado por dos áreas o superficies características: elÁrea de Núcleo, Ac, que es la superficie de la columnacentral del transformador, y el Área de Ventana, Av, que esla superficie del hueco o ventana que queda entre la columnacentral y las laterales; en realidad es la superficie que estaráocupado por los bobinados de primario y secundario, así comopor los aislamientos.

II. POR LA FORMA DEL NÚCLEO

Figura 3. tipos de nucleos

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Figura 4. Tipos de Nucleos

II-A. Transformador monofásico de columnas

El transformador a columnas posee sus dos bobinadosrepartidos entre dos columnas del circuito magnético. En laII-A se trata de un transformador monofásico dónde el circuitomagnético se cierra por las culatas superior e inferior.

Figura 5. Transformador monofásico a columnas.

II-B. Transformador monofásico acorazado

El transformador acorazado se caracteriza por tener doscolumnas exteriores, por las que se cierra el circuito mag-nético, estas dos columnas no poseen ningún devanado. Enlos Transformadores monofásicos el devanado primario ysecundario se agrupan en la columna central y el transformadortiene tres columnas en total.

Figura 6. Transformador monofásico acorazado.

III. FORMA DE SUS DEVANADOS

Hay dos formas típicas de bobinados para transformadoreslos cilíndricos y planos. Los núcleo, con su forma, son losque determinan la elección de uno u otro tipo, salvo quese requieran propiedades especiales, como ser baja capacidaddistribuida.

1. Bobinado cilíndrico: este tipo se usa cuando el núcleodel transformador es del tipo núcleo.

2. Bobinado plano: este tipo se usa cuando el núcleo deltransformador es del tipo acorazado.

La clasificación más grande que hay de los transformadoreses la de su posición de los devanados y estos se clasifican en:

1. Transformadores de devanados separados2. Transformadores de devanados concéntricos3. Transformadores de bobinas alternadas.

III-A. Transformadores de Devanados Separados

El transformador es una maquina estatica que transforma latension de un circuito ode entrada, llamado primario, a otro desalida, llamado secundario, y que su funcionamiento se basaes las leyes de inducción electromagneticas. La particularidadde esta maquina es que transforma la tension elevandola oreduciendola, alterando los parametros V e I, pero sin alterarla potencia.

El principio de funcionamiento es muy simple. A uno de losdevanados se le aplica una tensión que produce una corriente,que a su vez origina un flujo magnético en el núcleo. Eseflujo magnético inducirá tensiones en los devanados primarioy secundario. La relación de espiras de cada devanado(N1,N2) fijara la relación entre la tensión de entrada y salida.

N1× I1 = −N2× I2;N1N2 = V 1

V 2 = I2I1 = m o en relacion

de transformacion

Figura 7.

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III-B. Transformadores de Devanados Concéntricos

Figura 8. Esquema físico de un Transformador con devanados concéntricos.

III-C. Transformadores de Bobinas Alternadas

Figura 9. . Esquema físico de un Transformador con bobinas alternadas.

IV. TIPOS DE CHAPAS

El acero eléctrico, también llamado acero magnético, aceroal silicio, o acero para transformadores, es un acero especialfabricado para poseer determinadas propiedades magnéticas,tales como una zona de histéresis pequeña (poca disipación deenergía por ciclo), que equivale a bajas pérdidas en el núcleoy una alta permeabilidad magnética. El material se fabricahabitualmente en forma de chapas laminadas en frío de 2mm de espesor o menos. Estas chapas se apilan y una vezreunidas, forman los núcleos de transformadores o deestatoresy rotores de motores eléctricos. Las láminas se pueden cortar asu forma final mediante troquelado; para cantidades pequeñas,el material se puede cortar con láser o por electroerosión

Figura 10.

IV-A. Caracteristicas de las chapas

Las chapas utilizadas para la construcción de los núcleostipo anillo y tipo acorazado son generalmente de acero alsilicio en proporciones de 2 a 4 % de este último. Los

espesores de estas láminas varían entre 0,3 y 0,5 mm parafrecuencias de 50 ciclos. Entre chapas debe haber aislacióneléctrica lo que se consigue de diferentes formas: con unacapa de barniz aplicado a una de sus caras, con una hoja depapel muy delgada encalado sobre una cara de la chapa, opara un material más económico, produciendo una oxidaciónsuperficial con vapor de agua. Según el tipo de aislación setienen diferentes efectos sobre el costo de la chapa y sobre lareducción de la sección neta del hierro. Para chapas de 0,35a 0,5 mm de espesor, puede estimarse que la reducción desección neta con aislación de barniz o papel es de un 10 %. Enlos transformadores pequeños se colocan las chapas una a una,alternando las juntas, para dar más solidez al conjunto y evitarpiezas de unión entre partes del núcleo. En los grandes, lasdos cabezas quedan separadas, y deben sujetarse con pernosroscados. En los transformadores de gran potencia suele sernecesario formar conductos de refrigeración en la masa delnúcleo, para aumentar la superficie de disipación del calor secolocan entonces separadores aislantes, de espesor convenientepara la circulación del aceite.

IV-B. La Chapa Magnética Normal

Se lamina en caliente. Aunque ahora la llamada chapa mag-nética de grano orientado o laminada en frío (ésta normalmentetiene una menor proporción de silicio, y su acero es máspuro). Los cristales de las chapas laminadas en frío tiendena orientarse, mejorando las características magnéticas delmaterial, consiguiéndose unos altos valores de permeabilidadmagnética. Además en campos alternativos, las pérdidas sonmínimas.

V. FORMAS Y TAMAÑOS NORMALIZADOS

REFERENCIAS

[1] www.nichese.com/trans-trif.htm[2] BOYLESTAD Robert. L, Análisis Introductorio de Circuitos, Editorial

Prentice Hall, México 1998. Pág. 1032-1037, 1041-1056.[3] CHAPMAN Stephen, Máquinas Eléctricas, 3ra Edición, Editorial Nomos

S.A. Pág. 61- 70l[4] http://zeus.dci.ubiobio.cl/electricidad/transformadores/transformador_monofasico.htm[5] http://zeus.dci.ubiobio.cl/electricidad/transformadores/constitu.htm[6] http://www.unicrom.com/Tut_transformador.asp[7] Ref: Francisco L. Singer, Transformadores Industriales, Neotécnica, Bue-

nos Aires 1976.