I

Universidad Politcnica de El Salvador

I.- TEORIA GENERAL DE LOS TRANSFORMADORESEL TRANSFORMADOR MONOFASICO.

1.1.- FUNDAMENTO DEL TRANSFORMADOR DE CORRIENTE ALTERNA

Se incluyen bajo esta denominacin ciertos aparatos estticos destinados a transferir la energa elctrica de un circuito a otro, utilizando, como enlace principal entre ambos, un flujo comn de induccin.

Como quiera que la induccin electromagntica solo se produzca con un flujo variable, esta variacin del flujo ser esencial en todo transformador esttico. Cuando el flujo es simplemente pulsatorio, el aparato recibe el nombre de bobina de induccin. Cuando el flujo es alterno, resulta el transformador propiamente dicho, apto para transmitir potencias de cualquier magnitud.

1.2.- UTILIDAD DE LOS TRANSFORMADORES

La necesidad de los transformadores obedece en la prctica a las siguientes razones: Por una parte, es conveniente a veces separar elctricamente el circuito de alimentacin, del circuito de utilizacin de la energa, ya sea por las condiciones de puesta a tierra en uno u otro o para aislar el segundo de potenciales elevados a que puede encontrarse el primero. Haciendo uso del transformador, se consigue fcilmente el objeto propuesto.

Pero la posibilidad esencial de los transformadores, por la cual adquieren tal importancia que industrialmente los caracteriza, es la de modificar los factores (tensin e intensidad) de la potencia elctrica transmitida, adaptndolos a las condiciones ptimas que se precisen: tensiones elevadas y bajas intensidades para el transporte de energa a grandes distancias; tensiones e intensidades medias para la distribucin a los centros de consumo, y voltajes reducidos e intensidades inversamente considerables en las redes de consumo inmediato. Todo ello, con un rendimiento que supera al de cualquier otra clase de aparatos donde intervengan transformaciones de energa de la naturaleza que fuere: mecnica, trmica, qumica, elctrica inclusive.

1.3.- FUNDAMENTOS FISICOS DEL TRANSFORMADOR

La figura 1 representa esquemticamente un transformador monofsico. Consta de dos devanados: uno, primario, P, por el que recibe energa, y otro, secundario, S, por el que la cede a la red de utilizacin, arrollados ambos sobre un ncleo comn, N, formado de chapas magnticas aisladas entre s por capas de papel o de barniz, o fosfatadas, a fin de disminuir las prdidas por corrientes parsitas, en el cual se establece un flujo alterno f, que enlaza magnticamente los dos devanados. Como generalmente las tensiones primaria y secundaria son distintas, uno de los devanados ser el de alta tensin, y el otro, el de baja tensin.

Figura 1. Transformador Monofsico.

En la figura citada se ha supuesto que el de alta tensin es el primario y el de baja tensin el secundario, es decir que el transformador funcionar como reductor de voltaje.

FIG 2. El transformador a) en vaco, b) en carga.

Si suponemos conectado el primario a una red de corriente alterna y el secundario abierto (figura 2a), circular por el primer devanado una cierta corriente I0 y se establecer en el circuito magntico un flujo alterno f0. El valor de este flujo depender de la f.c.e.m. Ep0 que haya de oponer el devanado a la tensin aplicada Up , y la corriente I0 ser justamente la necesaria para crear el flujo citado. Como la reluctancia del paso magntico, tratndose de un ncleo de chapas de esta clase, es muy pequea, la f.m.m. y, por tanto, la intensidad I0 que ha de circular por la bobina primaria es tambin muy reducida; las cadas de tensin, muy pequeas y por consiguiente, la f.c.e.m. inducida por el flujo ser casi igual a la tensin aplicada. Con el secundario abierto, es decir, en vaco, la f.c.e.m. primaria es prcticamente igual a la tensin aplicada en los bornes:

Ep0 = Up

Casi todo el flujo alterno f0 que abraza a las espiras primarias est a la vez concatenado con las espiras del secundario, e induce en estas, de modo anlogo, una f.e.m. Es0 que, al no circular corriente alguna por el devanado, es igual a la Us0 aparecida entre sus terminales:

Es0 = Us0

En vaco, la tensin de los bornes de salida es igual a la f.e.m. secundaria.

Supongamos ahora que el devanado secundario se cierra alimentando un circuito exterior cualquiera, en virtud de lo cual circula por l una corriente de carga Is (figura 2b) .

Segn la ley de Lenz, sta corriente tiende a oponerse a la causa que la origina, es decir, a la variacin del flujo f0 . Pero al mismo tiempo la disminucin del flujo tiende a producir otra disminucin, proporcional de la f.c.e.m. primaria, y, por consiguiente, aumenta la corriente absorbida, desde I0 hasta un valor Ip ; sta refuerza la f.m.m. del devanado P y restablece casi totalmente el flujo original que circulaba por el ncleo. Designndolo ahora solo por f .

El efecto inmediato de la carga secundaria ha sido aumentar la corriente primaria hasta Ip , en la magnitud precisa para neutralizar el efecto magntico de la corriente secundaria Is.

Con ello es de hacer notar otros fenmenos que en vaco hemos considerado despreciables. La corriente primaria aumentada produce ahora una cada hmica digna de ser tenida en cuenta, de modo que la f.c.e.m. se reduce algo en carga desde Ep0 hasta Ep1 . Al mismo tiempo la f.m.m. del devanado, incrementada por Ip , da origen a un flujo fdp de dispersin primaria (flujo de autoinduccin no conectado con el secundario) que tampoco puede dejar de tenerse en cuenta. La f.c.e.m. del primario en carga, debida al flujo comn f, vara as por dos conceptos: por la cada hmica y por la f.e.m. de reactancia debida al flujo primario disperso. ste a su vez, requerir, para mantenerse, una corriente algo distinta de I0 ; sea I01 .

La f.e.m. secundaria Es, debida al mismo flujo comn, ser, pues, menor que en vaco, y anlogamente, la f.m.m. de la bobina engendra un flujo de dispersin fds , y ste , una f.e.m. de reactancia que se combina con la anterior y da una resultante Es1 la cual junto con la cada por resistencia del devanado, contribuye a producir en los bornes una diferencia de potencial Us distinta tambin de la que se obtuvo previamente, Us0.

II.- CLASIFICACION Y TIPOS DE TRANSFORMADORES

La clasificacin de los transformadores puede hacerse atendiendo a varios criterios, como sistema de corrientes, variacin de la tensin, tipo de construccin, sistema de refrigeracin, etc.

Segn el sistema de corrientes utilizado en la conexin de los devanados, se clasifican en monofsicos, bifsicos y polifsicos.

Segn el sentido de variacin de la tensin, pueden ser elevadores y reductores. Un mismo transformador puede ser elevador o reductor; depender de la conexin a la red.

En el aspecto constructivo, se dividen en acorazados y de columnas.

Atendiendo a los tipos de ejecucin los transformadores se dividen, segn sea su finalidad de aplicacin y potencia, en:a) pequeos transformadores, con potencias hasta 16 kVA.

b) transformadores de red o de distribucin, con potencias hasta unos 1600 kVA.

c) grandes transformadores, con potencias desde unos 2 MVA.

2.1 TRANSFORMADORES TRIFASICOS

En lugar de utilizar tres transformadores, en la transformacin de sistemas trifsicos, pueden disponerse los devanados primarios y secundarios sobre un mismo ncleo dando lugar al transformador trifsico.

2.2 TRANSFORMADORES DE COLUMNA

En estos transformadores tanto el primario como el secundario se encuentran repartidos entre las columnas del circuito magntico, que se cierra por medio de las culatas.

La construccin en columnas requiere mayor cantidad de cobre, pero menos hierro. El arrollamiento de baja tensin, se dispone casi siempre en el interior, ms prximo al hierro, para alejar el peligro de un arco entre el ncleo y el devanado de alta y facilitar las reparaciones de este devanado. A fin de reducir una cada de tensin en los estos transformadores, se puede disponer el devanado de baja subdividido en dos mitades, quedando el de alta en la parte central. Su empleo sin embargo, tiende a disminuir.

2.3 TRANFORMADORES ACORAZADOS

En estos, ambos devanados se encuentran sobre el mismo ncleo; y el circuito magntico se cierra por uno y otro lado alrededor de las bobinas.

En los acorazados el hierro rodea simtricamente a ambos arrollamientos; las bobinas se colocan a veces alternadas, dejando entonces dos secciones de baja tensin en los extremos. La cada de tensin por reactancia disminuye tambin con esta disposicin.

2.4 TRANSFORMADORES REDUCTORES O ELEVADORES

Esta clasificacin depender de la conexin a la red; as en los transformadores elevadores, la tensin inducida en el devanado secundario ser superior a la del devanado primario, mientras que el transformador reductor, la tensin en el arrollamiento secundario ser inferior a la del primario.

2.5 PEQUEOS TRANSFORMADORES

Son transformadores en seco, es decir; el ncleo y los arrollamientos no estn inmersos en aislante lquido entre ellos figuran los

2.5.1.- TRANSFORMADORES DE ADAPTACION Y CONTROL

Sirven para adaptar la tensin de la red a las condiciones de los variados cambios de aplicacin. Estos transformadores se construyen con arrollamientos separados o con solo un arrollamiento de alta tensin del que se deriva la baja tensin a travs de tomas (autotransformador).

2.5.2.- TRANSFORMADORES DE SEGURIDAD

Estos transformadores se construyen siempre con devanados separados de entrada y salida para que no se pueda establecer ninguna unin galvnica entre el lado de entrada y el de salida, puesto que de lo contrario, en caso de defecto el arrollamiento de baja tensin podra alcanzar tensiones inadmisiblemente altas.

2.6 TRANSFORMADORES DE RED O DISTRIBUCION

Sirven para reducir o elevar la tensin en redes de media tensin. Se aplican principalmente para abastecer directamente redes de distribucin de baja tensin.

Estos transformadores de red estn generalmente rellenos de lquido. En esta gama de potencias medias se utilizan tambin transformadores en seco.

En los transformadores rellenos de lquido se emplea en la mayora de las ocasiones como medio refrigerante y aislante un aceite especial. Como el aceite para transformadores es combustible, en lugar de este medio se utilizan askareles (no combustibles) cuando un posible incendio pudiera tener consecuencias graves que puedan afectar directamente a `personas. Los transformadores en bao de askarel suelen llevar el nombre comercial de dicho lquido aislante.

2.7 GRANDES TRANSFORMADORES

Constituyen principalmente el eslabn que enlaza las redes trifsicas de mxima tensin (110kV, 220kV, 380kV) con las redes trifsicas de media tensin (10kV, 20kV), as como el que une los generadores y las redes. Se construyen en ejecuciones monofsicas y trifsicas en bao de aceite. Generalmente se instalan a la intemperie.

2.8 TRANSFORMADORES ESPECIALES

Comprendidos bajos los mismos principios generales de los transformadores que hasta aqu hemos descrito, existen multitud de otros aparatos, de aplicacin entre los cuales podemos mencionar:

- Autotransformadores

- Transformadores de medida

- Transformadores de corriente constante

- Transformadores de varios arrollamientos

- Transformadores trifsicos - monofsicos

- Transformadores de Soldadura Elctrica

2.8.1.- AUTOTRANSFORMADORES

Es posible reunir en uno solo los dos devanados de un transformador monofsico o de cada fase de un transformador trifsico sin que el sistema altere sus caractersticas esenciales.

El autotransformador presenta ventajas e inconvenientes frente al transformador; por ello, ser de utilidad en determinadas ocasiones, como es el caso de uso en redes de distribucin, siempre que no haya una variacin superior al 25% de la tensin inferior con respecto a la tensin superior.

Al igual que suceda con el transformador, el autotransformador podr ser reductor o elevador. Son de destacar las reducidas cadas de tensin y perdidas de estos aparatos, de forma que pueden considerarse despreciables.

2.8.2.- TRANSFORMADORES DE MEDIDA

Con frecuencia hay que conectar instrumentos de medida, aparatos de proteccin, rles, etc., que vigilan tensiones y corrientes elevadas; sino se dispusiera de tales transformadores, sera imposible trabajar con magnitudes de corrientes y tensiones muy altas que provocaran dificultades insalvables tanto en los propios instrumentos como en los dispositivos de proteccin y maniobra.

Adems, no se puede olvidar el riesgo que encierran las altas tensiones para el operario que se encuentra en trabajos de conservacin y mantenimiento de las instalaciones elctricas. Pueden resolverse estas dificultades reduciendo las tensiones e intensidades de corriente a valores aceptables mediante el empleo de los transformadores de medida.

De esta necesidad, surge el transformador de tensin y de corriente, que deben cumplir con una serie de requisitos y caractersticas generales de construccin.

2.8.2.1.- CARACTERISTICAS GENERALES

a) Deben aislarse los circuitos y aparatos de medida de la alta tensin.

b) Se evitarn perturbaciones electromagnticas causadas por fuertes corrientes reduciendo las intensidades de cortocircuito a valores admisibles.

c) Hay que obtener intensidades de corriente o tensiones proporcionales a las que se desea medir y vigilar.

d) La precisin de los transformadores ser de clase 0.5, y un factor de potencia, en el secundario del transformador, de 0.8.

e) Los transformadores hasta las tensiones de 30 kV sern del tipo seco y los arrollamientos irn envueltos en una masa de resina. Para 45 kV podrn ser, indistintamente, secos o en bao de aceite.

2.8.3.- TRANSFORMADORES DE CORRIENTE CONSTANTE

Tiene por objeto transformar la energa de una red primaria a tensin constante, en energa a intensidad constante, para la red secundaria. La potencia consumida vara en sta, principalmente, por la tensin, y en aquella se nota por variacin de la corriente y del factor de potencia; sobre todo en los tipos de regulacin automtica, por la del factor de potencia.

El mtodo consiste en hacer que al aumentar o disminuir la impedancia Zc del circuito alimentado por el secundario del transformador, aumente o disminuya proporcionalmente y de modo automtico el flujo concatenado con este arrollamiento, con la cual la f.e.m. inducida en l variar en la misma proporcin, y la corriente secundaria permanecer prcticamente constante .

Como aplicando tensin fija al devanado primario el flujo abrasado por l ser tambin constante, prescindiendo de la cada hmica, es natural que no pueda alterarse el flujo concatenado con el secundario de otra forma que modificando la dispersin, lo cual influye directamente sobre el factor de potencia de la carga primaria; de aqu que la regulacin por cualquiera de estos mtodos entrae siempre el funcionamiento con un Cos j muy bajo, aunque la carga secundaria sea puramente resistiva, como suele ocurrir en las aplicaciones de tales transformadores, destinados, por lo general, a alimentar instalaciones de alumbrado en avenidas y carreteras.

2.8.4.- TRANSFORMADORES TRIFASICOS-MONOFASICOS

Estos transformadores vienen determinados por un bobinado trifsico, cuyo primario se encuentra conectado generalmente en estrella y el secundario en conexin monofsica, con solo dos salidas para ser empleadas en los circuitos de utilizacin monofsica.

Con este transformador, si existen consumos monofsicos importantes, las compaas suministradoras exigen el empleo de un sistema que reparta la carga entre las tres fases del sistema trifsico.

El sistema monofsico desequilibra la tensin de red de alimentacin y cualquier solucin que pueda tomarse para solventar el problema es muy difcil que resulte satisfactoria.

Hay que admitir, pues, repartos imperfectos de la carga monofsica entre las tres fases del sistema trifsico, aun a costa de no guardar el equilibrio. Es necesario poseer la pericia suficiente para conectar tanto el primario como el secundario de forma tal que se pueda ms o menos admitir un desequilibrio parcial de las fases del sistema, segn la magnitud de la carga monofsica.

As, pues, se obtienen diferentes tipos de conexin, segn sea la carga secundaria.

- Conexin Scott Monofsica

- Conexin V-v invertida

- Conexin Taylor, etc.

2.8.5.- TRANSFORMADORES DE VARIOS ARROLLAMIENTOS

Son transformadores que, tanto el primario como el secundario, tienen varios arrollamientos bajo un ncleo magntico comn, aunque las intensidades y las tensiones de los diferentes arrollamientos no sean iguales.

Son empleados para transformadores de pequeas y medianas potencias aunque, en algunos casos, la capacidad de potencia puede alcanzar valores muy altos.

2.8.6.- TRANSFORMADORES DE SOLDADURA ELECTRICA

Los transformadores empleados para realizar la operacin de soldar difieren unos de otros segn las caractersticas estudiadas por las casas constructoras y la finalidad del trabajo al cual se destinan.

El primario es un devanado trifsico de dos ramas en conexin abierta, semi - equilibrado, cuyo desequilibrio en corrientes es del orden de 2 a 1; y el secundario esta compuesto por un arrollamiento monofsico especial, formado por dos bobinas. Cada bobina est situada en un ncleo propio y la conexin de las bobinas se realiza en serie, por lo cual se suma de cada una de las tensiones del bobinado secundario y, en consecuencia, se obtiene una tensin de cebado ptima.

Estando el transformador en carga, las dos tensiones del secundario se restan, haciendo reducir la resultante a la tensin de arco.

III.- FENOMENOS TRANSITORIOS

El estudio de los fenmenos transitorios en las mquinas y transformadores elctricos constituye una parte interesante de la electrotecnia, consideraremos en este momento los dos grupos de fenmenos que siguen:

a) sobretensiones.

b) sobrecargas.

3.1 SOBRETENSIONES

Un transformador puede estar sometido a fuertes sobretensiones momentneas que hagan saltar el aislamiento, aunque se halle ampliamente previsto para la tensin normal. Las causas son casi siempre impactos de voltaje equivalentes a ondas de elevada frecuencia, cuya propagacin, por lo mismo, es difcil a lo largo de los devanados, dando origen con ello a una concentracin anormal de las sobretensiones en zonas determinadas.

Estos impactos pueden proceder de la lnea en servicio u originarse simplemente al conectar o desconectar el transformador.

3.1.1.- IMPACTOS PROCEDENTES DE LA RED

Toda perturbacin que produzca un cambio en las condiciones electrostticas o electromagnticas en algn punto de la lnea se propaga a lo largo de sta con velocidad muy elevada, pero finita, en forma de onda de voltaje, hasta incidir finalmente sobre los devanados de los transformadores. La causa de aquella perturbacin puede ser una descarga atmosfrica, la interrupcin de una seccin importante de la lnea, arcos a tierra, cortocircuitos; accidentes en lneas prximas, transmitidos por efecto inductivo o electrosttico, etc.; y la clase de ondas vagabundas ms perjudiciales, las que denominaremos de choque, cuyo rpido crecimiento inicial equivale a una frecuencia elevadsima.

3.1.2.- SOBRETENSIONES DE CIERRE Y APERTURA DE CIRCUITO

Similar a la accin de una onda de voltaje propagada desde la lnea, es la que se origina al conectar el transformador a la red. La amplitud del impulso depende del momento de cierre del interruptor. La onda reflejada se suma al incidente, no pudiendo resultar sin embargo, un potencial de cresta superior al doble del valor mximo de la tensin aplicada.

La apertura del interruptor, al separar el transformador del circuito, da tambin origen a la aparicin de sobretensiones en los devanados por efecto de la energa magntica acumulada en el ncleo (autoinduccin).El peligro es menor si la ruptura se efecta en carga, porque el secundario permanece cerrado sobre la red, y el rgimen de extincin del flujo es menos rpido. Como conviene, por lo general, interrumpir antes el circuito secundario, puede disponerse transitoriamente una resistencia local que lo substituya, aunque es raro que sea preciso acudir a precauciones de esta clase si el transformador est bien construido.

3.2 SOBRECARGAS

Aparecen en el momento de cerrar el interruptor para conectar los transformadores a la red, incluso en vaco, y adems, naturalmente, en casos de cortocircuito.

3.2.1.- EXTRACORRIENTES DE CONEXION

Pueden alcanzar valores transitorios tan fuertes que incluso hagan saltar los fusibles, y desde luego, en la mayora de los casos, el efecto es perceptible sobre las lmparas incandescentes por la cada momentnea que provocan en las lneas.

Dos son los factores de los que depende la corriente transitoria de conexin: el valor instantneo de la tensin, al cerrar el circuito, y el estado de induccin residual, en magnitud y signo, del ncleo del transformador. Las condiciones ms desfavorable corresponden tericamente al cierre del interruptor en el momento de tensin nula y con una induccin remanente igual al mximo normal en servicio, perro de signo contrario al que requerira el sentido de variacin de la f.e.m. .

3.2.2.- CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO

Cuando se produce un contacto directo entre dos conductores de lnea secundarios, o entre uno de ellos y tierra, si la red lleva neutro de esta clase, la corriente toma un valor cuyos efectos pueden ser desastrosos para los devanados. Es cierto que la accin de los fusibles evita generalmente que el arrollamiento o los aislantes se quemen; pero los esfuerzos que se desarrollan entre las espiras crecen instantneamente con el cuadrado de la intensidad, y los pocos perodos que tarda en romperse el cortocircuito bastan para producir serias averas en el transformador.

IV. - CONSTRUCCION DE TRANSFORMADORES.

Desde el punto de vista constructivo, y comparada con el transformador, ninguna mquina goza de su fcil montaje, de la seguridad mecnica y elctrica, de los dispositivos del conjunto y del sencillo y extraordinario proceso de transformacin de la energa. El gran rendimiento que se ha obtenido en estas mquinas estticas es fruto del laborioso proceso de investigacin tecnolgica sobre los circuitos magnticos, as como de estudios minuciosos de cada uno de los elementos que constituyen el transformador.

a) El ncleo

b) Bobinas

c) Aislantes, etc.

4.1 EL NUCLEO

Los ncleos magnticos de los transformadores estn formados por chapas ferromagnticas de hierro -silicio y otros elementos; su superficie exterior se encuentra aislada desde el punto de vista elctrico.

En los transformadores antiguos, la chapa magntica empleada en la construccin de los ncleos era una aleacin de hierro - silicio tratado adecuadamente mediante el laminado en caliente.

Hoy en da, las tcnicas modernas han obtenido un material idneo de chapa magntica que, sometida a un proceso adecuado de laminado en fro, ha mejorado considerablemente las propiedades magnticas. El proceso de obtencin de laminado en fro se llama comnmente de grano orientado.

El porcentaje de acero - silicio que la chapa magntica tiene, empleando el laminado en fro, oscila entre un 3 y 3,5 % de silicio.

La aportacin del silicio mejora el coeficiente de resistividad del acero y disminuye las prdidas por histresis.

En su formacin interna estructural, los cristales tienden a orientarse rpidamente al someter las chapas magnticas a una imantacin proveniente del campo producido por una corriente elctrica.

Al laminar en fro la chapa, se originan tensiones internas, formadas por su composicin cristalina, que perjudica a la caracterstica magntica de la chapa. Por ello, se somete a un tratamiento trmico adecuado que, adems de disminuir las tensiones internas, mejora las caractersticas magnticas y proporciona una adecuada orientacin del grano.

4.1.1.- CARACTERISTICAS FUNDAMENTALES

Las superficies de las chapas no debern presentar grumos ni rugosidades y sern completamente lisas, sin poros , grietas ni cascarilla abundante .No presentarn ondulaciones y estarn perfectamente planas y sin alabeos. Debern permitir su aplanamiento y no sern quebradizas.

Las chapas sern de un espesor constante, con tolerancias mximas del 10%. Los espesores ms frecuentes y, por lo tanto ms recomendables sern los de 0,35 y 0,5 mm. Los anchos sern de 500 y 1000 mm y las longitudes de 1000 y 2000 mm.

Los elementos constituyentes de las chapas magnticas se comprobarn por anlisis qumico. Independientemente del contenido de silicio, que oscilar entre un 0,5 y hasta un 4,5%, segn la calidad de la chapa, convendr tambin que el carbono no exceda, en general, de 0,07 %; el azufre, del 0,03%; el fsforo, 0,02%; y el manganeso, 0,3%.

Las caractersticas de la composicin estructural ms favorable sern aquellas con las que se logre un tratamiento trmico correcto, el cual depende de su composicin qumica y de la temperatura final de laminacin.

4.2 BOBINAS

Los bobinados suelen componerse de hilo de cobre esmaltado, cuya seccin depende de la potencia del transformador y de las densidades de corriente permisibles. En los transformadores pequeos las densidades de corriente toman valores entre 1 (A/mm2) y 6 (A/mm2) segn la potencia y la refrigeracin. Segn cules sean los valores de las tensiones existentes entre las diferentes capas de los bobinados y el uso al que se destine el transformador debern aislarse adicionalmente unas capas de otras (aislamiento de capas). Si los distintos bobinados se devanan uno encima de otro deber tambin montarse un aislamiento entre ambos (aislamiento de bobinados).

Para alcanzar tensiones de corto circuito reducidas es necesario que los campos que de dispersin sean pequeos.

Esto se consigue en los llamados transformadores acorazados, devanando un bobinado sobre el otro . En los transformadores de columnas se logran tensiones de cortocircuito bajas disponiendo en cada cuerpo de bobinas tantas espiras correspondientes al primario como tambin al secundario.

4.3 AISLAMIENTOS

En general, el aislamiento de los conductores elctricos y de todas las partes activas que soportan tensiones en los transformadores, deben garantizar la seguridad y conservacin de todos los elementos, pero de una manera especial hay que garantizar y salvaguardar la vida humana.

El aislamiento de los conductores es esmaltado y sometido a las mximas temperaturas posibles dentro del transformador y debe resistir satisfactoriamente esas temperaturas producidas en condiciones normales de funcionamiento.

Estas condiciones pueden incluir puntas de carga y algn cortocircuito ocasional; el aislamiento del conductor debe mantener satisfactoriamente sus caractersticas elctricas a elevadas temperaturas y conservar las propiedades qumico - fsicas que requiere el aislamiento.

Gran parte del aislamiento del transformador es interior o est prximo a los bobinados. Para los principales elementos de construccin, hay que tener en cuenta lo siguiente:

4.3.1.- AISLAMIENTO DE ESPIRAS.

El aislamiento de las espiras constituye uno de los principales objetivos de todo fabricante de transformadores. Algunos constructores usan el aislamiento de permalex, sobre todo en transformadores solicitados por calentamientos elevados. En el bobinado de baja tensin se emplea en ocasiones , esmalte sinttico para conductores ; y en los bobinados de media y alta tensin, se utiliza papel Kraft cianoetilado, que se trata qumicamente en estado de pulpa para evitar la formacin de agua y la consiguiente degradacin del aislamiento.

4.3.2.- AISLAMIENTO DE CAPAS

El aislamiento entre capas del bobinado consiste en un aislamiento slido, amn de los canales de aceite que cumplen el doble cometido de aislamiento y refrigeracin.

En parte del aislamiento slido de las capas, se utiliza papel Kraft de alta calidad. Se aplica al bobinado cortando el papel a la anchura de la capa del bobinado.

4.3.3.- AISLAMIENTO ENTRE ARROLLAMIENTOS

El aislamiento entre arrollamientos de alta y baja tensin debe ser cuidadosamente tratado, por la importancia y repercusin que puede tener en la seguridad y vida del transformador; se construye generalmente de cilindros aislantes de cartn prensado o de papel impregnado con resinas sintticas. Se colocan entre arrollamientos y entre el arrollamiento ms cercano al ncleo y ste.

4.4 BARNICES COMPATIBLES

El uso del barniz aislante es necesario para una proteccin adecuada de los varios componentes del equipo elctrico. Papel, tela y fibra de vidrio contribuyen con los barnices aislantes para ofrecer mayor resistencia elctrica, dando al mismo tiempo, proteccin contra la humedad, grasa y dems materiales extraos.

Antes de seleccionar el tipo de barniz que se usar en una aplicacin particular se deber hacer un anlisis de las necesidades. A continuacin damos una lista que ayudar a seleccionar el barniz correcto para cada aplicacin.

a) El fin a que se destine la bobina (armadura, solenoide, transformador, etc.).

b) Tipo de alambre.

c) El tamao de la bobina que se va a aislar.

d) Otros aislamientos usados (mica, papel, etc.).

e) Temperatura ambiente.

f) Proteccin especial requerida (contra vapores de cidos, alcalisis, hmeda).

g) Mtodo de aplicacin (brocha, pistola de aire o inmersin).

h) Equipo de impregnacin al vaco.

i) Capacidad del tanque de inmersin.

j) Facilidad con que se cuenta para hornear.

Los barnices aislantes se separan en dos grupos principales que son: (1) reactivos al calor y (2) no reactivos al calor. Tomando en consideracin que en la industria se encuentra una gran variedad de condiciones de operacin, es muy difcil hacer un solo barniz que satisfaga todas las necesidades. Algunas clases de equipo requieren una carga rgida y dura, mientras que otras requieren una suave de tipo ms flexible para permitir expansin y contraccin.

4.4.1.- APLICACION

En el tratamiento de equipo elctrico con barniz aislante, es necesario remover con anterioridad cualquier humedad que se pudiera haber acumulado dentro de la unidad. Esto puede hacerse por medio de precalentamiento.

Generalmente se emplean dos mtodos para tratar equipo con barniz, que son:

a) Inmersin directa.

b) Impregnacin al vaco.

En el primer mtodo las unidades se sumergen en el barniz y se les deja permanecer en l hasta que cesa el burbujeo. Esta es una indicacin de que todo el aire ha sido desalojado y reemplazado con el material aislante.

En el segundo mtodo, las bobinas precalentadas, se colocan en un tanque de vaco y se aplica durante ste durante 30 minutos aproximadamente, tiempo durante el cual el aire es removido de las bobinas. Una vlvula, generalmente situada entre la cmara de vaco y el tanque de almacenamiento de barniz, se abre y en esta forma se permite el paso de barniz lentamente hasta que las bobinas quedan cubiertas con l. La vlvula se cierra entonces y las bobinas se dejan sumergidas por 15 minutos aproximadamente. Entonces se rompe el vaco y se sacan las bobinas, dejando que escurran hasta que el barniz deja de gotear.

Despus de lo anterior estas bobinas se introducen al horno de cocimiento y se dejan en l durante tiempo y temperatura previamente determinadas para que se lleve a cabo la conversin de la resina.

4.4.2.- CONSERVACION DE LA CALIDAD DEL BARNIZ

Un barniz que ha estado en un tanque al vaco por algn tiempo, generalmente acumula polvo, sedimento y partculas de cobre o algodn, etc., todo lo cual contribuye a dar un acabado de poca calidad. Por consiguiente recomendamos muy especialmente que se haga algn arreglo para filtrar peridicamente el barniz y limpiar el tanque de inmersin.

Cuando los barnices estn al aire como es el caso de la operacin de inmersin en tanques, los solventes en la mayora de los barnices se evaporan. Dicha evaporacin se acelera cuando las bobinas, etc., son precalentadas antes de la inmersin. El resultado es que el contenido de los slidos es aumentado con un cambio subsecuente en densidad y viscosidad. Si el barniz es aplicado demasiado viscoso pueden ocurrir arrugamientos, fibrosidades y otras condiciones indeseables.

Entonces es necesario substituir el adelgazador perdido por evaporacin para mantener una produccin de alta calidad. La cantidad de adelgazador fresco que debe ser aadida puede determinarse con un densmetro.

4.5 SECADO Y EXTRACCION DE LA HUMEDAD

Este tratamiento acta tambin como un medio de eliminacin de tensiones que se pudiera acumular en el barniz del alambre en el proceso de devanado o formado de las bobinas.

Otra funcin del precalentamiento, es la de eliminar el aire ocluido en el interior de los bobinados , cosa que posteriormente podra ocasionar una succin adicional de barniz a la bobina cuando se sujete al proceso de inmersin, por lo tanto en esta forma se eliminan fallas.

4.6 ACEITES

Proviene de la destilacin del petrleo bruto, sin ulterior tratamiento.

Sirve a un tiempo como aislador y como refrigerante, aunque la practica americana fa menos la construccin al poder aislante del aceite que a los dems recursos provistos para dicho fin.

Todo aislamiento est diseado para una larga vida de servicio contando con que las cualidades del aceite se mantengan por encima de unos valores mnimos recomendados.

Las normas UNE definen los aceites aislantes con las condiciones y caractersticas siguientes:

a) Naturaleza. Los aceites deben ser exclusivamente minerales, obtenidos del petrleo por destilacin fraccionada y refina sucesivos.

b) Pureza y color. El aceite nuevo es transparente y completamente claro (sin enturbamiento alguno) cuando se observa en capas de 10 cm de espesor y a la temperatura de 20 C. No debe contener materias extraas ni depsitos. El color determinado en el calormetro debe ser inferior a 2,5 .

c) Contenido de agua. Los aceites enviados en vagones cisternas deben estar exentos de agua una vez que se hayan dejado salir diez litros de la parte inferior de su contenido, despus de un reposo de 24 horas. En los aceites enviados en bidones, el volumen de la capa de agua depositada no debe ser mayor del 0,01% de la capacidad del bidn.

d) Peso especfico. A la temperatura de 20 C, no debe ser superior a 0.92, aunque es aconsejable no pase de 0,89 .

e) Viscosidad. No debe ser superior a 8 grados Engler a 20C, ni a 2 grados Engler, a 50 C.

f) Punto de Congelacin. No debe ser superior a -25 C.

g) Punto de Inflamacin. No debe ser inferior a 145 C.

h) Rigidez Dielctrica. No debe ser inferior a 90 kV/cm para aparatos en funcionamiento, en aceite seco o dispuesto a ser introducido en los aparatos no debe ser inferior a 125 kV/cm .

i) Prdida de peso por evaporacin. Debe ser inferior a 0,2 %, despus de calentarlo durante 5 horas a 100 C.

j) ndice de tendencia al envejecimiento. Es la propensin que tienen los aceites, durante el servicio, a la formacin de lodos, la tendencia al envejecimiento se fija por el ndice de alquitranado o de Kissling, obtenido tras una oxidacin previa. El ndice de Kissling no debe exceder de 0,1 %; tampoco deben formarse depsitos de color oscuro durante su determinacin.

La investigacin de la industria qumica permiti obtener el lquido sinttico ininflamable que cumple las condiciones mencionadas y que satisface las ms rigurosas exigencias. El lquido es conocido como Piraleno, constituido por una mezcla del 60 % de difenilos hexaclorados con un 60 % de cloro y un 40 % de triclorobencenos. El piraleno es de color blanco transparente de una densidad de 1,55, notablemente ms elevada que la del aceite, pero una viscosidad y un punto de congelacin anlogo a los de aquel, siendo por el contrario ms fuerte las prdidas por evaporacin.

Posee elevada rigidez dielctrica con valores superiores a los 30 kV/cm, resulta un lquido no inflamable y qumicamente estable e inerte.

SISTEMA DE REFRIGERACION DEL TRANSFORMADOR

Dependiendo de las propiedades del sistema refrigerante del transformador, lo podemos clasificar de la siguiente forma:

NORMADESCRIPCION

OASUMERGIDO EN LIQUIDO AUTOREFRIGERADO

OWSUMERGIDO EN LIQUIDO CON AGUA REFRIGERADA

FASUMERGIDO EN LIQUIDO CON AIRE REFRIGERADO

FOASUMERGIDO EN LIQUIDO FORZADO REFRIGERADO CON AIRE FORZADO REFRIGERADO

FOWSUMERGIDO EN LIQUIDO FORZADO REFRIGERADO CON AGUA FORZADA REFRIGERADA

V.- CONEXION DE LOS TRANSFORMADORES TRIFASICOS

En nomenclatura abreviada se utilizan las letras maysculas para alta tensin y minsculas para baja tensin; as, para : delta (D, d); estrella (Y, y); zigzag (Z, z).

Segn se realice la conexin de los devanados primario y secundario, se obtendrn diferentes tipos de transformadores:

a.- Estrella en el primario - estrella en el secundario (Y, y)

b.- Estrella en el primario - delta en el secundario (Y, d)

c.- Estrella en el primario - zigzag en el secundario (Y, z)

d.- Delta en el primario - delta en el secundario (D, d)

e.- Delta en el primario - estrella en el secundario (D, y)

5.1.- CONEXION ESTRELLA - ESTRELLA (Y, y)

En este tipo de transformador, sus devanados primarios y secundarios estn conectados en estrella, y se pueden llevar al neutro tanto al primario como al secundario.

La relacin de transformacin simple se determina como cociente entre el nmero de espiras de una fase del primario y otra del secundario y coinciden con la relacin entre las f.e.m. por fase de ambas en vaco:

a = N1 / N2 = Vp / Vs

5.1.1.- INCONVENIENTES DE LA CONEXION Y - y

El principal inconveniente es el desequilibrio de tensiones en la lnea conectada al primario, que aparece cuando hay fuertes desequilibrios en la carga secundaria.

As, el transformador Y - y , con neutro en ambos devanados, al sobrecargar una fase del secundario (la) , aumentar proporcionalmente la corriente en la fase del devanado de la misma columna del primario (IA) y, por tanto, provocar una cada de tensin mayor en un conductor de lnea que en los otros dos.

Si el transformador solo dispone de neutro en el secundario, todava es mayor el desequilibrio, puesto que una sobrecarga en el secundario (la) provoca otra en el primario (IA), que al carecer de neutro, hace que circule por las otras dos fases ( IB e IC), sin que hayan variado las corrientes del secundario de estas fases (Ib e Ic). Un fuerte aumento de IB e IC, sin estar compensadas, motiva una asimetra en los flujos y, por tanto, un desequilibrio de las f.e.m. del primario y del secundario.

5.1.2.- VENTAJAS DE LA CONEXION Y - y

Una ventaja muy interesante que presenta esta conexin es la posibilidad de sacar neutro, tanto del lado de baja tensin como del lado de alta tensin. El neutro permite obtener dos tensiones, como es el caso de las lneas de distribucin (120/208), o bien conectarle a tierra como medida de seguridad en cierto tipo de instalaciones.

En general puede afirmarse que este tipo de conexin es ms utilizado para pequeas potencias, ya que, adems de las ventajas antes citadas, resulta ms econmico, por aplicarse una tensin a cada fase IL / 3 y por consiguiente, disminuir el nmero de espiras, aunque ha de aumentarse la seccin de los conductores, por circular la corriente de lnea por cada fase. Por otra parte el aumento de la seccin de los conductores favorece la resistencia mecnica a los esfuerzos de cortocircuito.

5.2.- CONEXION ESTRELLA - TRIANGULO (Y - d)

El devanado primario est conectado en estrella mientras que el secundario est en tringulo (delta).

La relacin de transformacin ser:

a = 3 N1 / N2

5.2.1.- INCONVENIENTES DE LA CONEXION Y - d

No dispone de salida de neutro y, por tanto no tendr utilidad en redes de distribucin a dos tensiones. Por el mismo motivo, tampoco podr conectarse a tierra el secundario.

Cualquier interrupcin en alguna fase del secundario deja fuera de funcionamiento al transformador.

Aunque el primario puede conectarse a tierra como medida de proteccin de lnea, no es aconsejable, por dar lugar a la aparicin de armnicos siempre perjudiciales.

5.2.2.- VENTAJAS DE LA CONEXION Y - d

En el funcionamiento con cargas equilibradas, el desequilibrio en dos fases, como las a y b, se reparten entre las tres fases del secundario, a, b, c, transmitindose por tanto a las tres fases del primario, A, B, C.

En definitiva, este tipo de transformador es de uso muy limitado; por ejemplo, como reductor de tensin al final de lneas.

5.3.- CONEXION ESTRELLA ZIGZAG

Para salvar el inconveniente del funcionamiento del transformador estrella estrella para cargas muy desequilibradas y conservar sus ventajas, surgi la conexin estrella zigzag, aunque eleva su costo con respecto a aquel.

La conexin Zigzag consiste en dividir cada devanado de una fase en dos partes iguales y enrolladas en sentido contrario, en dos columnas consecutivas, conectndolos en serie.

En la determinacin de las relaciones de transformacin, ha de tenerse en cuenta el desfase existente entre las bobinas del secundario por encontrarse en distintas columnas.

La f.e.m. por fase del secundario se obtiene por suma vectorial de las dos f.e.m. inducidas en dos bobinas (superior e inferior) de dos columnas consecutivas.

El diagrama vectorial de la conexin zigzag se obtiene partiendo de una estrella equilibrada que corresponda a las f.e.m. de las tres bobinas conectadas al ncleo y, a continuacin, se representan las f.e.m. de las tres bobinas restantes, teniendo en cuenta que en la misma columna la f.e.m. inducida en una bobina, es de sentido opuesto a la inducida en la otra bobina.

As, pues, la f.e.m. inducida en una fase del devanado trifsico en conexin zigzag es 3 veces superior a la f.e.m. inducida en cada una de las bobinas que intervienen en dicha fase.

Para averiguar la relacin de transformacin es necesario advertir que la f.e.m. inducida en una columna en conexin zigzag sera dos veces el valor absoluto de la f.e.m. inducida en cada bobina. En realidad es la relacin de tensiones por columna.

de donde tenemos que a = 1.154 N1/N2

5.3.1.- INCONVENIENTES DE LA CONEXION ESTRELLA ZIGZAG

Uno de los inconvenientes que presenta este transformador es el proporcionar en el secundario una tensin compuesta inferior a la que dara un transformador estrella estrella del mismo nmero de espiras en el primario y secundario. El valor de la tensin entre fases Vab puede deducirse a partir de las expresiones:

Transformador estrella estrella

V'ab = 3 * e'2

Transformador estrella zigzag

Vab = 3 ( 3 * e2) = 3*(e'2/2)

ya que e'2 = e1 + e4 (en valor absoluto).

Dividiendo estas expresiones, resultar