TRABAJO DE INVESTIGACIÓNTRANSFORMADORES

Se denomina transformador a una máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, esto es, sin pérdidas, es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc.

Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

Los transformadores son dispositivos electromagnéticos estáticos que permiten partiendo de una tensión alterna conectada a su entrada, obtener otra tensión alterna mayor o menor que la anterior en la salida del transformador.

Permiten así proporcionar una tensión adecuada a las características de los receptores. También son fundamentales para el transporte de energía eléctrica a largas distancias a tensiones altas, con mínimas perdidas y conductores de secciones moderadas.

CONSTITUCION Y FUNCIONAMIENTO

Constan esencialmente de un circuito magnético cerrado sobre el que se arrollan dos bobinados, de forma que ambos bobinados están atravesados por el mismo flujo magnético. El circuito magnético está constituido (para frecuencias industriales de 50 Hz) por chapas de acero de poco espesor apiladas, para evitar las corrientes parásitas .

El bobinado donde se conecta la corriente de entrada se denomina primario, y el bobinado donde se conecta la carga útil, se denomina secundario.

La corriente alterna que circula por el bobinado primario magnetiza el núcleo de forma alternativa. El bobinado secundario está así atravesado por un flujo magnético variable de forma aproximadamente senoidal y esta variación de flujo engendra por la Ley de Lenz, una tensión alterna en dicho bobinado.

Construcción del núcleo de un transformador con devanados coaxiales

Circuitos primario y secundario en un transformador

ECUACIONES FUNDAMENTALES

El valor eficaz de la fuerza electromotriz en los devanados del transformador se determina por las siguientes fórmulas:

U1 = 4,44 BM A f n1

U2 = 4,44 BM A f n2

En donde:

U1 = tensión en devanado primario (voltios)

U2 = tensión en devanado secundario (voltios)

BM = valor máximo de la inducción magnética en el núcleo (Tesla). (En núcleos de hierro magnéticos de transformador suele tener un valor máximo de 1,4 Tesla)

f = frecuencia de la corriente alterna (Hz)

n1 = número de espiras del devanado primario (adimensional)

n2 = número de espiras del devanado secundario (adimensional)

A = área de la sección recta del núcleo magnético (m2)

Si el primario y el secundario están atravesados por la misma inducción máxima BM y la sección A del núcleo permanece constante, entonces;

U1 / U2 = n1 /n2

A este cociente se denomina relación de transformación, e indica la relación entre la tensión de entrada y salida, cuando el transformador está funcionando en vacío, o sea sin carga, en el secundario.

Formas constructivas de arrollamientos

POTENCIAS Y EFICIENCIAS

Un transformador es esencialmente dos solenoides o inductancias sobre un mismo núcleo, por consiguiente existirá un desfase entre la tensión y la corriente que atraviesa ambos devanados.

Las potencias de entrada y salida son :

P1 = U1 I1 cosφ1 (Watios)

P2 = U2 I2 cosφ2 (Watios)

El rendimiento del transformador η es igual:

η = P2 /P1

También existen pérdidas en el núcleo debidas a las corrientes parásitas y a la histeresis, y pérdidas en los devanados debido al efecto Joule. Todas estas pérdidas se manifiestan en forma de calor, y disminuyen el rendimiento del transformador, por consiguiente, el rendimiento real también se puede expresar como:

η = P2 /( P2 + Pnuc + Pdev)

Los rendimientos reales que se observan en los transformadores son altos,(al no tener entrehierros como las máquinas rotativas,) y mejoran con el tamaño del transformador (entre un 80% y un 98%).

CIRCUITO EQUIVALENTE

El devanado secundario de un transformador es equivalente a un generador ideal de corriente alterna en serie con una resistencia ohmica pura R, en serie con una reactancia XL , y a su vez en serie con la carga exterior Z, que se le conecte.

Circuito equivalente de un transformador

Como en cualquier generador real, la tensión en el secundario va disminuyendo según aumenta la carga que se conecte, debido a la impedancia interna que tiene el transformador. Esto indica que la tensión en vacío en el secundario del transformador siempre es algo superior a la tensión en carga del mismo.

Tensión de salida en un transformador en carga

LIMITES DE FUNCIONAMIENTO DE UN TRANSFORMADOR

Un transformador se proyecta para unas tensiones dadas de servicio en primario y secundario y una potencia máxima continua que puede obtenerse en su secundario. El incrementar la tensión en su primario, y por tanto la corriente en el mismo, lleva a la saturación del núcleo magnético, con lo que el mismo no es capaz de transferir mas potencia al secundario y el exceso de potencia de entrada solo produce sobrecalentamientos del núcleo por corrientes parásitas, y del devanado primario, por efecto Joule, llevando a la rotura del devanado por fallo del aislante del mismo. Una espira en cortocircuito genera a su vez más calor y provoca el fallo total del devanado.

En un transformador es fundamental prever una correcta refrigeración del mismo, y a este fin, los de mayor tamaño (a partir de algunos kilowatios), están bañados en aceite refrigerante que actúa también como dieléctrico.

Así pues, la tensión de entrada, la potencia máxima continua de salida , y la temperatura ambiente, son tres parámetros que no deben sobrepasarse de forma permanente

El Transformador real. Diagrama vectorial

El Transformador real. Circuito equivalente

Rendimiento de un transformador

El rendimiento de un transformador es variable y depende varios factores:

- Del valor de la potencia suministrada- De la forma del transformador y- De la calidad de los materiales con los que fue construido (núcleo y bobinados).

El rendimiento, por ser un dato relativo (un dato de potencia medida depende del otro dato de potencia medido). se expresa en porcentaje. Ver la fórmula abajo.

Para determinar el rendimiento de un transformador, se alimenta el bobinado primario con el voltaje nominal, se coloca la carga nominal en el bobinado secundario y se miden la potencia de entrada Pa (potencia absorbida por el transformador) y la potencia de salida Pu (potencia útil).

Estos valores medidos se reemplazan en la siguiente fórmula.

Rendimiento (%) = (Pu x 100) / Pa

Donde:- Pu = Potencia útil- Pa = Potencia absorbida.

En la figura siguiente vemos la curva del rendimiento de un transformador con diferentes cargas y cos fi.

En la tabla siguiente vemos valores típicos de diferentes transformadores