FICHA #3 MANTENIMIENTO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS

TRANSFORMADORESCOLEGIO VOCACIONAL MONSEÑOR SANABRIA

DEPARTAMENTO DE ELECTROTECNIA

PROFESOR: LUIS FERNANDO CORRALES

ESTUDIANTE:

HELLEN MONTERO ROMERO

TRANSFORMADORES

• Definición de Transformador:

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.

• Aplicaciones básicas de los transformadores:

Tanto en materia de electricidad industrial y comercial como en radiotelefonía, televisión y electrónica en general, se encuentra el transformador como un amplio campo de utilización. Puede decirse que es el elemento indispensable, especialmente en todo lo referente a corrientes alternas de baja y alta frecuencia.

Un caso significativo es el de los sistemas de potencia, en los que hace posible que la generación, transporte y consumo de la energía eléctrica se realice a las tensiones más rentables en cada caso. El transporte resulta más económico cuanto más alta sea la tensión, ya que la corriente y la sección de los conductores son menores (intensidades pequeñas provocan menores pérdidas por el efecto Joule).

TRANSFORMADORES

• Principio de Funcionamiento:

Ley de inducción : Un campo magnético variable corta el conductor del bobinado secundario induciendo una fuerza electromotriz.

• Constitución general de un transformador monofásico:

El transformador está constituido por un bobinado primario, un bobinado secundario y un núcleo de material ferromagnético.

• Defina técnicamente a que se refiere con el concepto de transformadores reductores o elevadores:

Los transformadores reductores son aquellos en los que la tensión en el bobinado secundario es menor que en la del primario.

Los elevadores por el contrario como su nombre lo dice elevan la tensión de salida.

• Dibuje y explique que es el circuito eléctrico y magnético primario y secundario de un transformador:

El transformador está compuesto por dos bobinas, la primaria recibe el voltaje de entrada, este produce un campo magnético variable que llega hasta la bobina secundaria y la corta entonces se produce una FEM que mostrará una tensión de salida mayor o menor.

TRANSFORMADORES

• Explique la relación de transformación:

La relación de transformación indica la relación entre la tensión de entrada y la de salida.

La relación de la FEM inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la FEM inducida (Es) la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns), según la ecuación.

• Cuál es la relación de espiras en transformadores reductores y elevadores?

En un reductor el bobinado primario tiene más vueltas y el secundario por consiguiente tiene un número mucho menor para reducir la tensión En cambio; el elevador tiene una cantidad pequeña de vueltas en el primario y una mucho más grande en el secundario esto para aumentar el voltaje saliente. • Cuál es la relación de corrientes en

transformadores reductores y elevadores?Esta relación de corrientes se rige a la inversa de la relación de espiras por lo tanto el elevador se considera un reductor de corriente. Y en el caso del reductor pos consecuencia sería elevador de corriente.

TRANSFORMADORES • Defina técnicamente Potencia aparente como se da esta en el primario y secundario de un transformador.

Es la magnitud de la potencia compleja de un circuito de corriente alterna, y se identifica con la letra S. Esta representa la potencia total desarrollada en un circuito con impedancia Z. Se puede averiguar mediante la siguiente fórmula:

S= I•V

cuando la carga o consumo de un circuito por el que circula corriente alterna son resistencias puras, por efecto del material conductor, se obtiene una relación aproximada de la potencia consumida o potencia que se disipa, puede decirse que lo que se obtiene con la fórmula es la Potencia Real que es disipada, un vatímetro nos daría esta lectura. Se presenta un problema cuando la carga es inductiva o capacitiva, dado que el vatímetro da una lectura de POTENCIA APARENTE, misma que es menor al consumo real que se lleva a cabo. Es una desviación de la carga y se muestra de forma parcial, no muestra la totalidad de la potencia de utilización.

TRANSFORMADORES• Realice un esquema dibujado donde

explique las pérdidas de potencia en el núcleo y en el cobre que forman los bobinados del transformador.

• Explique el funcionamiento en vacío y con carga de un transformador

EN VACÍO: Si al transformador en estudio lo alimentamos desde su bobinado primario, por medio de una fuente de tensión alterna sinusoidal. Y el devanado del secundario está desconectado de la carga (en vacío), circulará por el primario una corriente 0 que a su vez, producirá un flujo magnético común a ambos devanados y variable, al serlo la corriente que lo ha establecido.

CON CARGA: Si en lugar de permanecer el secundario abierto, se cierra a través del circuito exterior de impedancia Z, circulará una corriente por el secundario, desfasando un ángulo de la FEM del devanado secundario. El valor de este ángulo dependerá del circuito exterior siendo en la mayoría de los casos de tipo inductivo. Por lo que la intensidad del secundario irá en retraso con relación a la FEM del secundario.

TRANSFORMADORES Cuáles son los sistemas de refrigeración utilizados en transformadores?1. AA: transformadores tipo seco con

enfriamiento propio, estos no contienen aceite ni otros líquidos para enfriamiento, el aire es también el medio aislante que rodea el núcleo y las bobinas, por lo general se fabrican con capacidades inferiores a 2000kVA y voltajes menores de 15kV.

2. AFA: Transformadores tipo seco con enfriamiento por aire forzado, se emplea para aumentar la potencia disponible de los tipo AA y su capacidad se basa en la posibilidad de disipación de calor por medio de ventiladores o sopladores.

3. AA/FA: Transformadores tipo seco con enfriamiento natural y con enfriamiento por aire forzado, es básicamente un transformador tipo AA al que se de adicionan ventiladores para aumentar su capacidad de disipación de calor.

TRANSFORMADORES4. OA: Transformador sumergido en aceite con enfriamiento natural, en estos transformadores el aceite aislante circula por convección natural dentro de un tanque que tiene paredes lisas o corrugadas o bien provistos con tubos radiadores. Esta solución se adopta para transformadores de más de 50kVA con voltajes superiores a 15kV.

5. OA/FA: Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento propio y con enfriamiento por aire forzado, es básicamente un transformador OA con la adición de ventiladores para aumentar la capacidad de disipación de calor en las superficies de enfriamiento.

6. FOA: Sumergido en líquido aislante con enfriamiento por aceite forzado. Estos transformadores pueden absorber cualquier carga de pico a plena capacidad ya que se usa con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando al mismo tiempo.

7. OA/FA/FOA: Con este tipo de enfriamiento se trata de incrementar el régimen de operación (carga) de transformador tipo OA por medio del empleo combinado de bombas y ventiladores. El aumento de la capacidad se hace en dos pasos: en el primero se usan la mitad de los radiadores y la mitad de las bombas con lo que se logra aumentar en 1.33 veces la capacidad del tipo OA, con el segundo paso se hace trabajar la totalidad delos radiadores y bombas con lo que se logra un aumento de 1.667 veces la capacidad del OA. Se fabrican en capacidades de 10000kVA monofásicos a 15000 kVA trifásicos.

8. OW: Sumergido en líquido aislante con enfriamiento por agua, en estos transformadores el agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los cuales están en contacto con el aceite aislante del transformador y se drena por gravedad o por medio de bomba independiente, el aceite circula alrededor de los serpentines por convección natural.

9. FOW: Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento de aceite forzado y con enfriadores de agua forzada, este tipo de transformadores es prácticamente igual que el FO, solo que el cambiador de calor es del tipo de agua-aceite y se hace el enfriamiento por agua.

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• Mencione la designación para los bornes de los arrollamientos de alta y baja tensión.

Para alta tensión:

Red 16 kV : 22 000 16 000 V entre fases en la ‐toma principal.

Red 20 kV : 20 000 V entre fases en la toma principal.

Red 22 kV : 22 000 V entre fases en la toma principal.

Red 24 kV : 24 000 V entre fases en la toma principal.

Para baja tensión:

‐ Clase B2: 420 V entre fases.

‐ Clase B1B2: 242 y 420 V entre fases.

• Explique y dibuje la constitución del transformador trifásico:

Un transformador trifásico está constituido por tres transformadores monofásicos montados en un núcleo magnético común.

TRANSFORMADORES• Dibuje y explique el circuito magnético y

eléctrico primario y secundario de un transformador trifásico.

• Se constituye de 3 fases conectadas a 120V cada una y magnéticamente son 3 bobinas que comparten un mismo núcleo.

• Dibuje las conexiones más utilizadas en el primario y secundario.

Estrella-estrella

Triángulo-Estrella

Estrella-triángulo

TRANSFORMADORES • Cuáles son las características que se deben tomar en cuenta para la formación de una banco trifásico con transformadores monofásicos?

Estas van a depender del tipo de conexión que se realice. Podemos citar algunas de sus características a continuación:

CONEXIÓN ESTRELLA-ESTRELLA: Dos neutros, uno en las bobinas primarias y otro en las bobinas secundarias. Si no se conectan los neutros a tierra las señales salen distorsionadas por el secundario. Los voltajes de terceras armónicas pueden ser grandes.

CONEXIÓN ESTRELLA-DELTA: En este tipo de conexión la corriente en el devanado de las bobinas secundarias es de un 58% de la corriente de carga. Las distorsiones de las tensiones de salida no resultan tan severos como en la conexión Y/Y. También existe un desplazamiento de fase entre las tensiones de entrada y salida de 30⁰. Este tipo de conexión se puede utilizar en aplicaciones de reducción.

Triángulo abierto

Triángulo Zig-Zag

Estrella Zig-Zag

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• CONEXIÓN DELTA-ESTRELLA: Con una conexión de este tipo se consigue un adelanto de fase de 30⁰ de las tensiones de salida respecto a las tensiones de entrada. Sin embargo , la desventaja del desfase puede ser negativa, pues la conexión en paralelo con otra fuente de energía es imposible, por otro lado, en el caso de que este banco tenga que alimentar a un grupo de cargas aisladas no representaría ningún inconveniente el desfase. La principal ventaja de este tipo de conexión es que se reduce considerablemente el gasto económico en el aislamiento interno del transformador.

• CONEXIÓN DELTA-DELTA: Esta tiene la desventaja de no disponer de ningún neutro, ni en el primario ni en el secundario. Además, otra desventaja es el aislamiento eléctrico que resulta más caro que otro de conexión (Y), para las mismas especificaciones técnicas. En esta conexión las tensiones de entrada ni salida se encuentran en fase. Su principal ventaja de este modo de conexión es que aunque las cargas no estén equilibradas la tensiones mantienen un buen equilibrio.

• Sistemas trifásicos para cuatro conductores

La tensión trifásica , es esencialmente un sistema de tres tensiones alternas ,acopladas, ( se producen simultáneamente las 3 en un generador), y desfasadas 120º entre si.

Estas tensiones se transportan por un sistema de 3 conductores (3 fases), o de cuatro (tres fases + un neutro). Por convención las fases se denominan R , S, T, y N para el conductor neutro si existe.

Este sistema de producción y transporte de energía , en forma trifásica, desde el generador a los receptores esta universalmente adoptado, debido a que presenta economía en el material de los conductores, para la misma potencia eléctrica transmitida, y además permite el funcionamiento de motores eléctricos muy simples duraderos y económicos, de campo rotatorio, como los motores asíncronos de rotor en cortocircuito (motores de "jaula de ardilla"), que son los empleados en la mayoría de las aplicaciones de baja y mediana potencia.

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• Explique y dibuje la construcción y principio de funcionamiento de los transformadores para medida de tensión.

Transformadores de tensión son transformadores que transforman altas tensiones en tensiones medibles.Transformadores de tensión tienen un sólo núcleo magnético y pueden ser realizados con un o varios arrollamientos secundarios. Transformadores de tensión aislados unipolar, aparte del arrollamiento de medición o de protección, pueden ser equipados con un arrollamiento adicional para el registro de cortocircuito a tierra. Transformadores de tensión pueden ser realizados como transformadores unipolares o como transformadores aislados bipolares

• Explique y dibuje la construcción y principio de funcionamiento de los transformadores para medida de corriente.

Los transformadores de corriente se utilizan en la práctica, para medir la corriente sin interrumpir a las líneas de corriente. Por lo tanto la medición de la corriente con la ayuda de los transformadores de corriente es muy segura. Los transformadores de corriente utilizan el campo magnético natural del conductor activo para determinar la corriente. El rango de corriente medible es de unos pocos mA hasta varios mil amperios. Así es fácil y seguro medir corrientes en el rango de 1 mA a 20 mA y también corrientes grandes de hasta 10000 A. Hay diferentes tipos de transformadores de corriente: Transformadores de corriente flexibles para la corriente alterna, pinzas de corriente para la corriente alterna y pinzas de corriente para corriente continua y alterna. Los transformadores de corriente pueden ser conectados a diferentes dispositivos. Por lo tanto, es posible conectar las pinzas de corriente con un conector BNC a un osciloscopio para visualizar la corriente en la pantalla. También es posible adaptar todos los transformadores de corriente a multímetros. Debido a los diferentes tipos, los transformadores de corriente son de uso universal.

TRANSFORMADORES• Mencione las aplicaciones de los transformadores de

medida.

Se utilizan en mediciones de laboratorio, contadores de precisión, en especial para grandes potencias (altas tensiones). Casos que son de prever factores de potencia bajos, mediciones de precisión, contadores normales, aparatos de medida y reguladores sensibles. Amperímetros, vatímetros y fasímetros.

• Defina técnicamente que es un autotransformador.

Un autotransformador es una máquina eléctrica, de construcción y características similares a las de un transformador, pero que a diferencia de éste, sólo posee un único devanado alrededor de un núcleo ferromagnético.

En un autotransformador, la porción común del devanado único actúa como parte tanto del devanado "primario" como del "secundario". La porción restante del devanado recibe el nombre de "devanado serie" y es la que proporciona la diferencia de tensión entre ambos circuitos, mediante la adición en serie con la tensión del devanado común.

• Explique el principio de funcionamiento:

Al igual que los transformadores, los autotransformadores funcionan basados en el principio de campos magnéticos variantes en el tiempo, también llamada Ley de inducción electromagnética o Ley de Faraday. Este dice que; un campo magnético variable corta el conductor del bobinado secundario e induce una FEM.

• Cuáles son los inconvenientes de los autotransformadores?

Una falla en el aislamiento de los devanados de un autotransformador puede producir que la carga quede expuesta a recibir plena tensión (la de la fuente). Se debe tener en cuenta esta situación al decidir utilizar un autotransformador para una determinada aplicación.

Las ventajas en ahorro de material (tanto en los devanados como en el núcleo) tienen una limitación física, que en la práctica es una relación de tensiones de 3:1. Para relaciones de tensión mayores a ésta, o bien el transformador convencional de dos devanados es más compacto y económico, o bien resulta imposible construir el autotransformador.

En sistemas de transmisión de energía eléctrica, los autotransformadores tienen la desventaja de no filtrar el contenido armónico de las corrientes y de actuar como otra fuente de corrientes de falla a tierra. Sin embargo, existe una conexión especial -llamada "conexión en zig-zag"- que se emplea en sistemas trifásicos para abrir un camino de retorno a la corriente de tierra que de otra manera no sería posible lograr, manteniendo la referencia de tierra

TRANSFORMADORES

• Realice un cuadro comparativo entre un transformador y un autotransformador

TRANSFORMADOR AUTOTRANSFORMADOR

esta formado por un núcleo y dos bobinados independientes aislados entre si

consiste en un núcleo con un único bobinado el cual tiene derivaciones para aplicar la tensión de línea y para obtener las tensiones necesarias.

Son más costosos pero más seguros en su uso pues vienen protegidos

Son más económicos pero más peligrosos pues los aparatos que lo utilizan no quedan aislados de la línea

Eficiencia promedio Mucha más eficiencia

• Explique el funcionamiento de los autotransformadores monofásicos, reductores y elevadores.

- Si se aplica una tensión alterna entre los puntos A y B, y se mide la tensión de salida entre los puntos C y D, se dice que el autotransformador es reductor de tensión.

- Si se aplica una tensión alterna entre los puntos C y D, y se mide la tensión de salida entre los puntos A y B, se dice que el autotransformador es elevador de tensión.

TRANSFORMADORES

• Explique el funcionamiento de los autotransformadores trifásicos elevadores y reductores.

La bobina se divide en tres segmentos y de ahí se parte para hacer la conexión como aparece en la imagen. Dependiendo del numero de vueltas de cada sección podemos definirlo como elevador o reductor.

• Características técnicas que debe reunir el transformador que se desea construir

Debe ser un transformador con refrigeración natural por aire para servicio interior/exterior.

Los conductores de sección redonda se aíslan con esmalte de características eléctricas y mecánicas adecuadas para satisfacer el nivel de aislamiento.

La forma cilíndrica de las bobinas asegura una buena resistencia a los esfuerzos de cortocircuito complementada con un sistema racional de apoyo y prensado en sus extremos.