Transformador monofásico
Los transformadores monofásicos son máquinas eléctricas estáticas que funcionan con corriente alterna y permiten transformar la energía eléctrica.Los transformadores monofásicos están constituidos por dos devanados. Los devanados de un transformador se pueden clasificar por el sentido de transferencia de la energía o por su tensión.
Si se toma el criterio del sentido de la energía, el devanado inductor es aquel que se conecta a una fuente de corriente alterna de frecuencia $f_1$ obteniendo energía de ella. El devanado inductor también se conoce como el primario. El devanado inducido es aquel que entrega energía a un circuito exterior por medio de unas conexiones fijas con una frecuencia $f_2=f_1$. El devanado inducido también se conoce como el secundario.
De acuerdo con el criterio de tensión, el devanado que soporta una mayor tensión se denomina devanado de alta tensión (A.T.) y el que soporta menor tensión se conoce como el devanado de baja tensión (B.T.).
Los devanados de los transformadores van arrollados sobre un núcleo cerrado, constituido por un apilamiento de chapas magnéticas, para aumentar la inducción magnética del sistema y mejorar su acoplamiento. Gracias a ello y a la carencia de partes móviles, los rendimientos en grandes transformadores pueden alcanzar valores del orden del 99.7%.
Otra posible clasificación de los transformadores se puede realizar según la posición relativa entre el núcleo y los devanados, clasificándolos en acorazados (figura 1.a), los devanados están abrazados por el núcelo magnético, y de columnas (figura 1.b), en los que son los devanados los que rodean casi por completo el núcleo magnético.
Otra posible clasificación de los transformadores se puede realizar según la posición relativa entre el núcleo y los devanados, clasificándolos en acorazados (figura 1.a), los devanados están abrazados por el núcelo magnético, y de columnas (figura 1.b), en los que son los devanados los que rodean casi por completo el núcleo magnético.
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| Fig. 1 Circuitos magnéticos del transformador monofásico. a) Transformador acorazado b) Transformador de columnas |
Los transformadores acorazados se emplean en transformadores monofásicos de baja potencia, mientras que los transformadores de columna son los más empleados en la práctica.
La importancia de los transformadores se debe a que gracias a ellos ha sido posible el desarrollo masivo del uso de la energía eléctrica ya que permiten el transporte de energía eléctrica a grandes distancias.
Una segunda clasificación de los transformadores puede llevarse a cabo según la relación de tensiones entre su primario y secundario. Si la tensión entre los terminales del devanado primario, $V_1$, es menor que la tensión de los terminales del devanado secundario, $V_2$, es decir $V_1<V_2$, el transformador se denomina elevador. En el caso contrario se llama transformador reductor ($V_1>V_2$).
Para cualquier transformador se cumple que $$\dfrac{E_1}{E_2}=\dfrac{N_1}{N_2}=m$$ donde $E=4.44\cdot N\cdot f\cdot\phi$ con $N$ el número de espiras en serie, $\phi$ el flujo magnético y $f$ la frecuencia de alimentación. La relación entre $E_1$ y $E_2$, $m$, se denomina relación de transformación.
En un transformador real se tiene que $$V_1=E_1+R_1\cdot I_1+j\cdot X_1\cdot I_1\quad ;\quad V_2=E_2-R_2\cdot I_2-j\cdot X_2\cdot I_2$$ En los transformadores empleados en la industria, las caídas de tensión a plena carga están en el rango del 1 al 10% de las tensiones nominales, por tanto la relación de fuerzas electromotrices queda de forma aproximada como $$V_1\approx E_1\quad ; \quad V_2\approx E_2$$ luego la relación de transformación se puede aproximar a $$\dfrac{V_1}{V_2}\approx m$$ Por otro lado, si se tiene en cuenta la relación de potencias del transformador -ambos devanados deben ser capaces de transmitir la misma potencia- se tiene que $$V_1\cdot I_1=V_2\cdot I_2$$ De este modo se tiene que $$m=\dfrac{N_1}{N_2}\approx\dfrac{V_1}{V_2}=\dfrac{I_2}{I_1}$$ es decir, para transmitir una determinada potencia si se eleva la tensión, la corriente que circulará por la línea se reducirá. Este resultado muestra la importancia de los transformadores en el sistema eléctrico ya que al elevar la tensión y reducir la corriente que circula por los conductores se tienen dos ventajas:
El sistema resultante se muestra en la figura 3.d. Tal disposición es la que se utiliza en la práctica pese a que presenta una asimetría en la columna central, ya que el flujo tiene un menor recorrido. Este hecho produce un desequilibrio en las corrientes de vacío de las tres fases. Cuando el transformador está en carga el efecto de la asimetría en la columna centra es prácticamente despreciable.
Para cualquier transformador se cumple que $$\dfrac{E_1}{E_2}=\dfrac{N_1}{N_2}=m$$ donde $E=4.44\cdot N\cdot f\cdot\phi$ con $N$ el número de espiras en serie, $\phi$ el flujo magnético y $f$ la frecuencia de alimentación. La relación entre $E_1$ y $E_2$, $m$, se denomina relación de transformación.
En un transformador real se tiene que $$V_1=E_1+R_1\cdot I_1+j\cdot X_1\cdot I_1\quad ;\quad V_2=E_2-R_2\cdot I_2-j\cdot X_2\cdot I_2$$ En los transformadores empleados en la industria, las caídas de tensión a plena carga están en el rango del 1 al 10% de las tensiones nominales, por tanto la relación de fuerzas electromotrices queda de forma aproximada como $$V_1\approx E_1\quad ; \quad V_2\approx E_2$$ luego la relación de transformación se puede aproximar a $$\dfrac{V_1}{V_2}\approx m$$ Por otro lado, si se tiene en cuenta la relación de potencias del transformador -ambos devanados deben ser capaces de transmitir la misma potencia- se tiene que $$V_1\cdot I_1=V_2\cdot I_2$$ De este modo se tiene que $$m=\dfrac{N_1}{N_2}\approx\dfrac{V_1}{V_2}=\dfrac{I_2}{I_1}$$ es decir, para transmitir una determinada potencia si se eleva la tensión, la corriente que circulará por la línea se reducirá. Este resultado muestra la importancia de los transformadores en el sistema eléctrico ya que al elevar la tensión y reducir la corriente que circula por los conductores se tienen dos ventajas:
- Permite realizar instalaciones con conductores de cobre de menor sección.
- Las pérdidas por efecto Joule son menores.
Transformador trifásico
La transformación de tensiones y corrientes en los sistemas trifásicos puede realizarse de dos maneras distintas.
La primera opción es empleando un transformador monofásico en cada una de las tres fases. Esta opción es antieconómica, como consecuencia del gran volumen de hierro necesario, y poco práctica ya que se requieren tres unidades idénticas para realizar la transformación.
La segunda opción es empleando un solo núcleo magnético en el que se incorporan todos los devanados necesarios. En este caso, el sistema está formado por tres columnas iguales sobre las que se arrollan los devanados que constituyen el primario y secundario de cada fase (figura 2).
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| Fig. 2 Circuito magnético del transformador trifásico. |
En esta segunda opción se puede considerar que el núcleo trifásico es el resultado de la unión de tres sistemas monofásicos (figura 3.a y 3.b). Si el sistema de alimentación es trifásico equilibrado, los tres flujos $\phi_r$, $\phi_s$ y $\phi_t$ son iguales en magnitud y al estar desfasados 120º en el tiempo, resulta un flujo total, $\phi_T$, en la columna central cuyo valor es cero. Por tanto, la columna centra se puede suprimir (figura 3.c).
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| Fig. 3 Construcción del circuito magnético del transformador trifásico. |
El sistema resultante se muestra en la figura 3.d. Tal disposición es la que se utiliza en la práctica pese a que presenta una asimetría en la columna central, ya que el flujo tiene un menor recorrido. Este hecho produce un desequilibrio en las corrientes de vacío de las tres fases. Cuando el transformador está en carga el efecto de la asimetría en la columna centra es prácticamente despreciable.
En el estudio del transformador trifásico hay que considerar cada columna como un transformador monofásico, de este modo los ensayos, circuitos equivalentes, etc., se expresarán en valores de fase para poder aplicar las técnicas de análisis empleadas en el estudio de los transformadores monofásicos.
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