EL TRANSFORMADOR MONOFÁSICO DE BAJA POTENCIA

DEFINICIÓN DE TRANSFORMADOR

Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. 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 y tamaño, entre otros factores.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. 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.

Transformador Monofásico de Baja Potencia

INTRODUCCIÓN

En el diseño de los transformadores monofásicos se ha visto la manera de mejorar siempre el rendimiento de los mismos y es por ello que se ha buscado mejorar en todo lo que esté al alcance de los fabricantes, en lo más relevante que podemos conocer existen las formas de los núcleos (para evitar los flujos de dispersión), la forma de los devanados (con el fin quizás de tener menos peso), se han hecho núcleos de chapas (disminuir la resistencia interna del núcleo o disminuir el problema de pérdidas en el hierro).

Por ello explicaremos de forma detallada lo ya mencionado.

I. POR FORMA DE NÚCLEOS.

Como ya se dijo con el fin de disminuir el problema de flujos dispersos nació el núcleo acorazado, pero en la actualidad se sigue utilizando los núcleos de columnas para transformaciones de baja potencia mientras que para altas potencias es recomendable utilizar los de forma acorazada.

a) COLUMNAS.

FORMA GENÉRICA.

DETALLE.-

Por convención o tradición siempre se tiene que la columna marcada con el número 1 es para el bobinado primario y la columna 2 es para el secundario, es asa que la flecha de color negro es el camino que le ofrecemos al flujo magnético y que idealmente debería seguir en su totalidad, pero en la realidad lo que sucede es que muchas de las líneas de flujo es desvían y escapan como muestra la flecha de color rojo, esto se le conoce como los flujos de dispersión, que no son más que líneas que se escapan y cierran su camino con el aire. Es por ello que para transformadores de baja potencia o un máximo de 50KVA es muy recomendable utilizar este tipo de núcleos ya que si se hiciera un análisis perdidas versus costo, nos inclinaríamos mucho por tener algo de pérdidas pero no gastar tanto como sería el caso de utilizar un núcleo acorazado.

b) ACORAZADOS. FORMA GENÉRICA.

DETALLE.-

En esta forma de núcleo tanto el bobinado primario como secundario se encuentran en la columna central, y por lo general esta es el doble que las columnas de los laterales. Al igual que en la forma anterior sigue habiendo los flujos dispersos pero en menor escala y ahora se brinda dos caminos para que el flujo recorra y se cierre en el hierro.

Cabe decir que esta forma de núcleo es más costosa pero para transformadores de gran potencia que superen los 50KVA es mucho más rentable tener un núcleo acorazado.

A continuación se expone una gráfica ya con los devanados para una mejor apreciación.

FIG. 1 NÚCLEOS ACORAZADOS Y A COLUMNAS.

II. TIPOS DE CHAPAS MONOFÁSICAS.

Como ya se expuso los tipos de núcleos ahora bien para minorar o disminuir el problema de pérdidas en el hierro no se construyen núcleos macizos sino más bien se construye núcleos de chapas, y si analizamos por formas simplemente podemos decir que hay las de columnas para núcleos a columnas y las acorazadas, pero esto sería obvio, más bien en este caso haremos el análisis por niveles de potencia.

CHAPAS POR LA FORMA DEL NÚCLEO.

Los nombres que tomarían serian por la forma de la letra que se aprecia no más.

FIG. 2. GRÁFICAS DE CHAPAS2

"La más interesante para los autores seria la forma de chapa llamada EC ya que en la zona donde se colora los devanados es circular o cilíndrica como se desease ver, lo interesante seria que al ser circular el área es menor y por tanto se necesitaría menos cobre en caso de que el bobinado sea de cobre y esto conlleva menos gastos para el usuaria y también menos peso en la máquina".

CHAPAS POR EL NIVEL DE POTENCIA.

BAJA POTENCIA.

En este tipo de chapas son las comunes y corrientes, en esto no habría nada que acotar.

MEDIANA POTENCIA.

En este caso debido a que la potencia es mayor la temperatura en el interior del núcleo también se eleva, entonces como una estrategia para enfriar el núcleo y con esto disminuir la temperatura en el interior de la máquina se ha propuesto y diseñado más chapas escalonadas, se pueden apreciar en la imagen siguiente.

FIG 3. NÚCLEO CON CHAPAS ESCALONADAS.

DETALLE.-

En el área donde se señala con el círculo rojo es por donde circularía aire que enfriaría las chapas, es su conjunto al núcleo y en general a la máquina, esto nos ayuda que si el núcleo se calienta el devanado que está en el también, entonces al mantener temperaturas no tan elevadas ayudamos a que las resistencias del cobre no se eleven y disminuyan las perdidas por el cobre.

ALTAS POTENCIAS.

FIG 4. NÚCLEO CON CHAPAS ESCALONADAS Y CANALES DE REFRIGERACIÓN

DETALLE.

Como podemos observar en la gráfica los círculos son los canales de refrigeración y estos nos ayudan a bajar la temperatura de los grandes transformadores, ya que a mayor potencia mayor temperatura.

III. POR DEVANADOS.

En los devanados casi no se le toma importancia a la forma del mismo sino más bien que potencia será la que va a soportar, debido a esto se los puede clasificar en devanados de baja tensión y de alta tensión, sin importar también si es para el primario o secundario.

Entonces lo único que tendríamos que tener en cuenta que potencia va a soportar y ponerles el calibre adecuado para que soporten la misma.

En el anexo 1 se presenta una tabla normalizada con los números de chapas y la medida de cada columna.

IV. CONCLUSIONES.

En lo analizado podemos darnos de cuenta que todo lo que se intenta mejorar es para disminuir gastos y mejorar el rendimiento, pero lo más importante es que se mejoran muchas cosas pero no la forma de las columnas de los núcleos, quizás si estos tuvieran columnas circulares y de chapas o hubiese núcleos toroidales no solo para uso de laboratorios se mejoraría mucho más, la conclusión es que las columnas cuadradas o rectangulares son mucho más fuertes y su construcción es mucho más fácil de hacer que las circulares.

TIPOS DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS

1. Los transformadores de instrumentación.

Los transformadores para instrumentación están diseñados para poder medir tensiones e intensidades elevadas por aparatos de medida como voltímetros y amperímetros.
Además, garantizan la seguridad del técnico que tiene que realizar las mediciones al tener las bobinas aisladas.

Existen dos tipos de transformadores de instrumentación:

a) Transformador de corriente:

Son los transformadores diseñados para poder medir altos niveles de intensidad. La construcción física del transformador de corriente o intensidad, se basa en una bobina primaria de pocas vueltas con un alambre muy grueso, en cambio, la bobina secundaria tiene muchas espiras (vueltas) con un alambre bastante fino. El funcionamiento técnico del transformador de corriente consiste en elevar la tensión para poder disminuir la intensidad. El amperímetro que se utiliza para tomar la medida de amperios, se coloca a la salida del transformador, es decir, en la bobina secundaria. Normalmente cuando se coloca un amperímetro se hace en serie para poder tomar la medida, esto es así porque de otra manera fundiríamos el fusible que acostumbran a utilizar como medida de seguridad estos aparatos. Pero para poder medir la intensidad de un transformador de corriente, el amperímetro se coloca en paralelo, no hay ningún problema porque no existe ninguna carga, o dicho de otro modo, el amperímetro es la carga que colocamos al transformador.
Este tipo de transformador, también se utiliza para poder monitorizar la línea de alta tensión desde una sala de control eléctrica.

b) Transformador de potencial:

Con el transformador de potencial lo que pretendemos medir es la tensión o la potencia de línea con un voltímetro. La constitución física del transformador de potencia consiste en dos bobinas. La bobina primaria tiene muchas espiras o vueltas y, en cambio, la bobina secundaria tiene pocas espiras o vueltas.

El voltímetro se coloca en paralelo con la bobina secundaria. Para proteger al técnico se conecta una de las salidas de la bobina secundaria a la masa. Normalmente, este tipo de transformador tiene una tensión en el secundario de 115 V, aunque depende de las especificaciones técnicas del fabricante. A diferencia del transformador de corriente, en la bobina primaria del transformador de potencial se conectan dos fases o líneas de tensión. Asimismo, este tipo de transformador también es utilizado para monitorizar las tensiones en las salas de control eléctricas.

2. Los transformadores de corriente constante.

Como su nombre indica, este tipo de transformador esta diseñado con la intención de mantener una intensidad constante. Para ello las dos bobinas, primaria y secundaria, son colocadas en la misma sección del núcleo, de esta forma se disminuye considerablemente el flujo de dispersión. Asimismo, la permeabilidad del núcleo es muy baja porque el núcleo está muy saturado gracias al flujo de dispersión.

El funcionamiento técnico de un transformador de corriente constante es debido a que las dos bobinas funcionan como dos electroimanes. Al ser electroimanes, existe un rechazo entre las dos bobinas por la polaridad que tienen cada una. Aquí tendríamos que recordar, que dos polos iguales de dos imanes se rechazan mutuamente, mientras que dos polos desiguales se atraen. Lo que ocurre físicamente es que la bobina secundaria se desplaza hacia arriba o hacia abajo según varía la carga y, por tanto, el grado de rechazo por parte de la bobina primaria. De esta manera, siempre se tiene una corriente constante, porque la bobina secundaria es móvil.
Cuando la carga aumenta lo que sucede en la bobina primaria es que disminuye la fuerza magnetomotríz, por lo tanto, disminuye el poder de rechazo de la bobina primaria. De igual manera si disminuye las fuerza magnetomotríz de la bobina primaria también lo hace la fuerza magnetomotríz de la bobina secundaria (también disminuye el poder de rechazo de esta bobina), lo cual hace que las dos bobinas se acerquen. Cuanto más se aumenta la carga más cerca se encuentra la bobina secundaria de la bobina primaria.

En este tipo de transformador el voltaje varía con la carga, pero la intensidad se mantiene siempre constante.

3. El transformador toroidal.

El transformador toroidal consiste en un transformador de corriente, como los ya explicados más arriba en esta misma página. La diferencia se encuentra en el núcleo y en la bobina primaria que utilizan.
El núcleo toroidal esta laminado, la bobina secundaria se encuentra enrollado en el núcleo toroidal, mientras que la bobina primaria consiste en un conductor que atraviesa el núcleo por el centro vacío.

Resultan bastante económicos y se suelen utilizar para medir intensidades superiores a los 100A. Al igual que los transformadores de intensidad, son usados para monitorizar las intensidades de línea en una sala de control eléctrico.

4. El transformador de frecuencia.

El transformador de frecuencia se utiliza para aparatos electrónicos complejos porque se reduce el gasto económico de capacitancias, inductancias, resistencias, otros. Los núcleos de estos transformadores son de una aleación especial de acero y níquel para disminuir las pérdidas por histéresis debido al calentamiento que sufre el transformador, a mayor frecuencia más incremento de corrientes parásitas y pérdidas por histéresis. Con el núcleo de acero y níquel se consigue disminuir la densidad de flujo.

5. El transformador de impedancia.

El transformador de impedancia es utilizado en juguetes eléctricos, lámparas fluorescentes, soldadores de arco, hornos de arco, quemadores de petróleo, lámparas de neón, reguladores de potencia.
Al tener una impedancia elevada, si el transformador entra en cortocircuito no se sobrecalienta.

6. El transformador de calentamiento.

El transformador de calentamiento por inducción es un tipo de transformador diseñado especialmente para producir aceros y aleaciones en los llamados hornos de inducción.

POLARIDAD DE LOS DEVANADOS DE UN  TRANSFORMADOR MONOFÁSICO

POLARIDAD DE UN TRANSFORMADOR

¿Qué es polaridad en un transformador?

Las bobinas secundarias de los transformadores monofásicos se arrollan en el mismo sentido de la bobina primaria o en el sentido opuesto, según el criterio del fabricante. Debido a esto, podría ser que la intensidad de corriente en la bobina primaria y la de la bobina secundaria circulen en un mismo sentido, o en sentido opuesto.

COMO DETERMINAR LA POLARIDAD DE UN TRANSFORMADOR

Para determinar la polaridad del transformador, se coloca un puente entre los terminales del lado izquierdo del transformador y se coloca un voltímetro entre los terminales del lado derecho del mismo, luego se alimenta del bobinado primario con un valor de voltaje (Vx). Ver el diagrama.

Si la lectura del voltímetro es mayor que Vx el transformador es aditivo o si es menor el transformador es sustractivo.

POLARIDAD ADITIVA:

La polaridad aditiva se da cuando en un transformador el bobinado secundario está arrollado en el mismo sentido que el bobinado primario.

Esto hace que los flujos de los dos bobinados giren en el mismo sentido y se sumen.

Los terminales “H1” y “X1” están cruzados.

POLARIDAD SUSTRACTIVA:

La polaridad sustractiva se da cuando en un transformador el bobinado secundario esta arrollado en sentido opuesto al bobinado primario.

Esto hace que los flujos de los dos bobinados giren en sentidos opuestos y se resten.

Los terminales “H1” y “X1” están en línea.