COORDINADORES. Director General José Efrén Castillo Sarabia. Secretario Académico Marco Antonio Norzagaray Gámez

Transcripción

1 COORDINADORES Director General José Efrén Castillo Sarabia Secretario Académico Marco Antonio Norzagaray Gámez Director de Diseño Curricular de la Formación Ocupacional Gustavo Flores Fernández Autores: Revisor técnico: Revisor pedagógico: Módulo Autocontenido Específico D.R. a 2006 CONALEP. Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, incluida la portada, por cualquier medio sin autorización por escrito del CONALEP. Lo contrario representa un acto de piratería intelectual perseguido por la ley Penal. E-CBNC Av. Conalep N 5, Col. Lázaro Cárdenas, C.P Metepec, Estado de México. 1

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3 ÍNDICE Participantes I. Mensaje al alumno 4 II. Como utilizar este manual 5 III. Propósito del curso módulo ocupacional 7 IV. Normas de competencia laboral 8 V. Especificaciones de evaluación 9 VI. Mapa curricular del curso módulo ocupacional 10 Capítulo 1 Descripción del Funcionamiento de los Transformadores 11 Mapa curricular de la unidad de aprendizaje Funcionamiento del transformador 13 Principios de operación Operación de transformadores. 21 En vacío. 22 Con carga 22 Potencia reactiva. 28 Efectos de sobrecargas prolongadas. 31 Operación en paralelo de transformadores Dimensionado de transformadores. 34 Capacidad 34 Eficiencia. 34 Impedancia 34 Regulación. 35 Marco normativo Tipos de transformadores. 36 Por su tamaño y forma. 37 Por el material de su núcleo. 38 Por su relación de transformación. 39 Por su construcción. 44 Por su función. 44 Usos Principales componentes. 48 Núcleo. 50 3

4 Devanados 55 Aislamientos 58 Terminales. 59 Cambiador de derivaciones. 64 Tanque. 65 Aceite dieléctrico. 70 Sistema de dispersión de calor 72 Accesorios. 73 Prácticas y Listas de Cotejo 80 Resumen 100 Autoevaluación de conocimientos del capítulo Capítulo 2 Mantenimiento de Transformadores 102 Mapa curricular de la unidad de aprendizaje Planeación de la instalación. 104 Interpretación de información técnica. 104 Alcance del proyecto 104 Sistema de tierras 104 Requerimientos para la instalación Instalación. 107 Normatividad 107 Aplicación de procedimientos. 107 Maniobras de posicionamiento y fijación Conexiones de entrada. 108 Acometida. 108 Seccionamiento. 108 Protecciones. 109 Medición. 109 Uniones. 109 Transición Conexiones de salida. 110 Protecciones. 110 Interruptor. 110 Medición. 110 Control. 110 Prácticas y Listas de Cotejo 112 4

5 Resumen 145 Autoevaluación de conocimientos del capítulo Respuestas a la autoevaluación de conocimientos por Capítulo 147 Glosario de términos de e-cbnc 149 Bibliografía 151 5

6 I. MENSAJE AL ALUMNO CONALEP TE DA LA BIENVENIDA AL MÓDULO MANTENIMIENTO A TRANSFORMADORES! Este módulo ha sido diseñado bajo la Modalidad Educativa Basada en Normas de Competencia, con el fin de ofrecerte una alternativa efectiva para el desarrollo de habilidades que contribuyan a elevar tu potencial productivo, a la vez que satisfagan las demandas actuales del sector laboral. Esta modalidad requiere tu participación e involucramiento activo en ejercicios y prácticas con simuladores, vivencias y casos reales para propiciar un aprendizaje a través de experiencias. Durante este proceso deberás mostrar evidencias que permitirán evaluar tu aprendizaje y el desarrollo de la competencia laboral requerida. El conocimiento y la experiencia adquirida se verán reflejados a corto plazo en el mejoramiento de tu desempeño de trabajo, lo cual te permitirá llegar tan lejos como quieras en el ámbito profesional y laboral. 6

7 II. COMO UTILIZAR ESTE MANUAL Las instrucciones generales que a continuación se te pide que realices, tienen la intención de conducirte a que vincules las competencias requeridas por el mundo de trabajo con tu formación de profesional técnico. Redacta cuales serían tus objetivos personales al estudiar este curso -módulo ocupacional. Analiza el Propósito del curso módulo ocupacional que se indica al principio del manual y contesta la pregunta Me queda claro hacia dónde me dirijo y qué es lo que voy a aprender a hacer al estudiar el contenido del manual? si no lo tienes claro pídele al docente que te lo explique. Revisa el apartado especificaciones de evaluación son parte de los requisitos que debes cumplir para aprobar el curso - módulo. En él se indican las evidencias que debes mostrar durante el estudio del curso -módulo ocupacional para considerar que has alcanzado los resultados de aprendizaje de cada unidad. Es fundamental que antes de empezar a abordar los contenidos del manual tengas muy claros los conceptos que a continuación se mencionan: competencia laboral, unidad de competencia (básica, genéricas específicas), elementos de competencia, criterio de desempeño, campo de aplicación, evidencias de desempeño, evidencias de conocimiento, evidencias por producto, norma técnica de institución educativa, formación ocupacional, módulo ocupacional, unidad de aprendizaje, y resultado de aprendizaje. Si desconoces el significado de los componentes de la norma, te recomendamos que consultes el apartado glosario de términos, que encontrarás al final del manual. Analiza el apartado «Normas Técnicas de competencia laboral Norma técnica de institución educativa». Revisa el Mapa curricular del curso módulo ocupacional. Esta diseñado para mostrarte esquemáticamente las unidades y los resultados de aprendizaje que te permitirán llegar a desarrollar paulatinamente las 7

8 competencias laborales que requiere la ocupación para la cual te estás formando. Realiza la lectura del contenido de cada capítulo y las actividades de aprendizaje que se te recomiendan. Recuerda que en la educación basada en normas de competencia laborales la responsabilidad del aprendizaje es tuya, ya que eres el que desarrolla y orienta sus conocimientos y habilidades hacia el logro de algunas competencias en particular. En el desarrollo del contenido de cada capítulo, encontrarás ayudas visuales como las siguientes, haz lo que ellas te sugieren efectuar. Si no haces no aprendes, no desarrollas habilidades, y te será difícil realizar los ejercicios de evidencias de conocimientos y los de desempeño. 8

9 Estudio individual Investigación documental Consulta con el docente Redacción de trabajo Comparación de resultados con otros compañeros Repetición del ejercicio Trabajo en equipo Sugerencias o notas Realización del ejercicio Resumen Observación Consideraciones sobre seguridad e higiene Investigación de campo Portafolios de evidencias 9

10 III. PROPÓSITO DEL MÓDULO AUTOCONTENIDO ESPECÍFICO Al finalizar el módulo, el alumno realizará la instalación de transformadores y su puesta en servicio de conformidad con las especificaciones técnicas establecidas por el fabricante y los referentes normativos aplicables, utilizando el material, equipo y herramienta determinados en los procedimientos para asegurar su adecuada 10

11 IV. NORMAS DE COMPETENCIA LABORAL Para que analices la relación que guardan las partes o componentes de la NTCL o NIE con el contenido del programa del curso módulo ocupacional de la carrera que cursas, te recomendamos consultarla a través de las siguientes opciones: Acércate con el docente para que te permita revisar su programa de estudio del curso - módulo ocupacional de la carrera que cursas, para que consultes el apartado de la norma requerida. Visita la página WEB del CONOCER en en caso de que el programa de 11

12 estudio del curso - módulo ocupacional esta diseñado con una NTCL. Consulta la página de Intranet del CONALEP en caso de que el programa de estudio del curso - módulo ocupacional está diseñado con una NIE. V. ESPECIFICACIONES DE EVALUACIÓN Durante el desarrollo de las prácticas de ejercicio también se estará evaluando el desempeño. El docente mediante la observación directa y con auxilio de una lista de cotejo confrontará el cumplimiento de los requisitos en la ejecución de las actividades y el tiempo real en que se realizó. En éstas quedarán registradas las evidencias de desempeño. Las autoevaluaciones de conocimientos correspondientes a cada capítulo además de ser un medio para reafirmar los conocimientos sobre los contenidos tratados, son también una forma de evaluar y recopilar evidencias de conocimiento. 1El portafolios de evidencias es una compilación de documentos que le permiten al evaluador, valorar los conocimientos, las habilidades y las destrezas con que cuenta el alumno, y a éste le permite organizar la documentación que integra los registros y productos de sus competencias previas y otros materiales que demuestran su dominio en una función específica (CONALEP. Metodología para 12

13 Al término del curso - módulo deberás presentar un Portafolios de Evidencias, el cual estará integrado por las listas de cotejo correspondientes a las prácticas de ejercicio, las autoevaluaciones de conocimientos que se encuentran al final de cada capítulo del manual y muestras de los trabajos realizados durante el desarrollo del curso - módulo, con esto se facilitará la evaluación del aprendizaje para determinar que se ha obtenido la competencia laboral. Deberás asentar datos básicos, tales como: nombre del alumno, fecha de evaluación, nombre y firma del evaluador y plan de evaluación. 13

14 VI. MAPA CURRICULAR DEL MÓDULO AUTOCONTENIDO ESPECÍFICO Mantenimiento a Transformadores 90 Hrs. 1. Descripción del Funcionamiento de los Transformadores. 2. Mantenimiento de Transformadores. 15 Hrs. 60 Hrs. 1.1 Identificar el funcionamiento de los transformadores con base en las leyes y principios que los rigen. 2.1 Instalar transformadores de conformidad con el procedimiento normativo. 8 Hrs. 30 Hrs Describir los tipos de transformadores de acuerdo a su aplicación. 2.2 Conectar transformadores de acuerdo a las especificaciones establecidas en el proyecto. 7 Hrs. 30 Hrs. 14

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16 1 Descripción del Funcionamiento de los Transformadores Al finalizar la unidad, el alumno describirá el funcionamiento de los transformadores con base en sus principios de operación y características específicas con la finalidad de diferenciar sus diferentes aplicaciones. 16

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18 MAPA CURRICULAR DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE Mantenimiento a Transformadores 90 Hrs. 1. Descripción del Funcionamiento de los Transformadores. 2. Mantenimiento de Transformadores. 15 Hrs. 60 Hrs. 1.1 Identificar el funcionamiento de los transformadores con base en las leyes y principios que los rigen. 2.1 Instalar transformadores de conformidad con el procedimiento normativo. 8 Hrs. 30 Hrs Describir los tipos de transformadores de acuerdo a su aplicación. 2.2 Conectar transformadores de acuerdo a las especificaciones establecidas en el proyecto. 7 Hrs. 30 Hrs. 18

19 SUMARIO Funcionamiento del transformador Operación de transformadores. Dimensionado de transformadores Tipos de transformadores Principales componentes. un imán. En la figura siguiente observamos un imán y una bobina a la cual se conecta un galvanómetro que servirá para detectar la presencia de corrientes eléctricas de poca intensidad. RESULTADO DE APRENDIZAJE 2.1. Identificar el funcionamiento de los transformadores con base en las leyes y principios que los rigen Funcionamiento del transformador Principios de operación. INDUCCION ELECTROMAGNETICA En 1831, Michael Faraday descubrió las corrientes eléctricas inducidas al realizar experimentos con una bobina y 19

20 electromotriz en el circuito al variar el flujo magnético debido al movimiento del imán. De acuerdo con los experimentos realizados por Faraday podemos decir que: Al permanecer inmóviles el imán y la bobina de la figura anterior, no se produce ninguna corriente inducida; pero al acercar el imán a la bobina se origina inmediatamente una corriente que se detecta con el galvanómetro. Igual ocurriría si el imán permanece fijo y se mueve la bobina; la finalidad es producir una variación en el flujo magnético que actúa sobre ésta. El sentido de la corriente está en función de si se acerca o se aleja el imán. La corriente inducida será más intensa al avanzar más rápido el imán, la bobina o ambos. Una forma práctica de obtener mayor intensidad de corriente inducida se logra al girar la bobina a través del campo magnético. El hecho de que se haya producido una corriente en el circuito formado por ésta señala la inducción de una fuerza 1. Las corrientes inducidas son aquellas producidas cuando se mueve un conductor en sentido transversal a las líneas de flujo de un campo magnético 2. La inducción electromagnética es el fenómeno que da origen a la producción de una fuerza electromotriz (fem) y de una corriente eléctrica inducida, como resultado de la variación del flujo magnético debido al movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético. En la actualidad casi toda la energía eléctrica que se consume en nuestros hogares y en la industria se obtiene gracias al fenómeno de la inducción electromagnética. Por todo el mundo existen generadores movidos por agua, vapor, petróleo o energía atómica, en los cuales enormes bobinas giran entre los polos de potentes imanes y 20

21 generan grandes cantidades de energía eléctrica. Los fenómenos de inducción electromagnética tienen una aplicación práctica invaluable, pues en ellos se fundan las dinamos y los alternadores que transforman la energía mecánica en eléctrica, así como los transformadores, los circuitos radioeléctricos y otros dispositivos de transmisión de energía eléctrica de un circuito a otro. Ley de Lenz El físico ruso Heinrich Lenz ( ) enunció una ley sobre inducción magnética que lleva su nombre: siempre que se induce una fem, la corriente inducida tiene un sentido tal que tiende a oponerse a la causa que lo produce. De acuerdo con la Ley de Lenz, el sentido de la corriente inducida es contrario al de la corriente requerida para provocar el movimiento del campo magnético que la ha engendrado. Para comprender mejor esta ley observemos la figura (a): cuando el polo norte del imán se acerca a la bobina, la corriente inducida representada por la letra tiene el sentido señalado por las flechas; de manera que, de acuerdo con la regla de la mano izquierda, los polos norte de la bobina y del imán se encuentran juntos. Como polos del mismo nombre se rechazan, el polo norte de la bobina presenta una oposición al movimiento de aproximación del inductor, es decir, del imán. En (b) si el imán se aleja, cambia el sentido de la corriente en la bobina, por tanto, el extremo del polo norte ahora será el polo sur que atrae al polo norte del imán y se opone a su alejamiento. En estas condiciones podríamos expresar la Ley de Lenz en los siguientes términos: la corriente inducida en la bobina es tal que el campo magnético producido por ella se opone al campo magnético del imán que la genera. Es evidente que el sentido de la fem y el de la corriente inducida es el mismo, pues apoya el principio de la conservación de la energía. Veamos: la corriente inducida en el circuito genera un campo magnético que de acuerdo con la Ley de Lenz se opone a la variación de] flujo magnético, porque de no ser así el campo magnético de la corriente inducida aumentaría la variación del flujo magnético y produciría una corriente mayor. Ello 21

22 implicaría un aumento desproporcional de la corriente con la simple producción de una insignificante variación inicial de las líneas de] flujo magnético; de tal modo se obtendría energía eléctrica de manera ilimitada, lo cual es imposible. o bien: ΔΦ ε = Δt Φ f Φ i ε = t Ley de Faraday Con base en sus experimentos, Faraday enunció la Ley del Electromagnetismo: la fem inducida en un circuito formado por un conductor o una bobina es directamente proporciona al número de líneas de fuerza magnética cortadas en un segundo. En otras palabras: la fem inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético que envuelve. La ley anterior, en términos de la corriente inducida, se expresa de la siguiente manera: la intensidad de la corriente inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético. La Ley de Faraday se expresa matemáticamente como: donde: ε = fem media inducida expresada en volts (V) φ = flujo magnético final medido en f webers (Wb) φ = flujo magnético inicial calculado en i webers (Wb) t = tiempo en que se realiza la variación del flujo medido en segundos (s) El signo (-) de la ecuación se debe a la oposición existente entre la fem inducida y la variación del flujo que la produce (Ley de Lenz). Cuando se trata de una bobina que tiene N número de vueltas o espiras, la expresión matemática para calcular la fem inducida será: Φ f Φ i ε = N t Al calcular la fem inducida en un conductor recto de longitud L que se 22

23 desplaza con una velocidad v en forma perpendicular a un campo de inducción magnética B se utiliza la expresión: INDUCTANCIA ε = BLv Existen fenómenos de inducción electromagnética generados por un circuito sobre sí mismo llamados de inductancia propia o de autoinducción; y los producidos por la proximidad de dos circuitos llamados de inductancia mutua. Un ejemplo de inductancia propia lo tenemos cuando por una bobina circula una corriente alterna. Como sabemos, al circular la corriente por la bobina formará un campo magnético alrededor de ella, pero al variar el sentido de la corriente también lo hará el campo magnético alrededor de la bobina, con lo cual se produce una variación en las líneas de flujo magnético a través de ella, esto producirá una fem inducida en la bobina. La fem inducida con sus respectivas corrientes inducidas son contrarias a la fem y la corriente recibidas. A este fenómeno se le llama autoinducción. Por definición: la autoinducción es la producción de una fem en un circuito por la variación de la corriente en ese circuito. La fem inducida siempre se opone al cambio de corriente. La capacidad de una bobina de producir una fem autoinducida se mide en una magnitud llamada inductancia. La bobina es conocida como autoinductor o simplemente inductor. En muchos circuitos de corriente alterna se utilizan inductores o bobinas con el objeto de producir en forma deliberada, inductancia en el circuito; cuando ésta posee un gran número de espiras tiene un alto valor de inductancia y en caso contrario su valor es pequeño. Cuanto mayor sea la inductancia, más lentamente se elevará o descenderá la corriente dentro de la bobina. La unidad de inductancia es el henry (H), llamada así en honor de Joseph Henry ( ), maestro y físico estadounidense pionero en el estudio del electromagnetismo. Como el fenómeno de la inductancia se debe a que un cambio de corriente en una bobina induce una fem en ella, el henry se puede definir en términos de la fem inducida por unidad de rapidez de cambio de la corriente. Por tanto, la 23

24 inductancia equivale a un henry si la rapidez de cambio de la corriente es de un ampere por segundo e induce una fem de un volt. Matemáticamente se expresa: ε L = Δi Δt o bien, si despejamos a la fem inducida: Δi ε = L Δ t donde: L = inductancia expresada en voltssegundo/ampere = henry (H) ε = fem inducida medida en volts (V) Δi = cambio de la corriente en amperes (A). La letra i indica que es una corriente inducida. Δt = tiempo en el que se efectúa el cambio en la corriente medido en segundos (s) El signo negativo indica que la fem autoinducida ε es una fuerza llamada contraelectromotriz que se opone al cambio de la corriente. La forma geométrica de la bobina afecta su inductancia. Por ello, existen inductores de diversos tamaños y formas en los que varía el número de espiras y la longitud del conductor; algunos tienen núcleo de hierro y otros no. Para el caso de bobina larga de sección transversal uniforme, la inductancia se calcula con la expresión: 2 N A L = μ ρ donde: L = inductancia de la bobina expresada en henrys (H) μ = permeabilidad magnética del núcleo medida en webers/amperemetro (Wb/Am) N = número de espiras de la bobina A = área de la sección transversal del núcleo en metros cuadrados (m 2 ) ρ = longitud de la bobina en metros (m) Inductancia mutua Cuando dos bobinas se colocan una cerca de la otra, al pasar una corriente i por una de ellas, creará un campo magnético cuyo flujo penetrará a través de la otra, de tal manera que se puede inducir una fem en cada una por el efecto de la otra. La bobina en la que circula la corriente en forma inicial 24

25 recibe el nombre de bobina primaria, y en la que se induce una fem, bobina secundaria. El valor de la fem secundaria inducida es directamente proporcional a la rapidez con que cambia la corriente en la bobina primaria Δ i ρ / t. Matemáticamente se expresa: Δi ε s = M t despejando el valor de M tenemos: M = ε ρ Δt s Δiρ aumentarse o disminuirse fácilmente mediante un transformador. Este eleva el voltaje de la corriente en las plantas generadoras de energía eléctrica y después lo reduce en los centros de consumo. Dicha característica es la principal ventaja de la corriente alterna sobre la continua. El principio del transformador se basa en la inducción mutua vista en la inductancia. Para comprender su funcionamiento observe la figura siguiente: donde: M = constante que recibe el nombre de inducción mutua del sistema de dos bobinas TRANSFORMADORES El transformador es otro invento realizado por Michael Faraday, funciona por inducción magnética. Como ya señalamos, la mayor cantidad de energía eléctrica utilizada en nuestros hogares, fábricas y oficinas es la producida por generadores de corriente alterna, pues su voltaje puede En la figura anterior se muestran dos bobinas de alambre, una A formada por cuatro espiras conectadas a una 25

26 fuente de voltaje CA y otra B de ocho espiras con un foco integrado, sin ninguna conexión a una fuente de alimentación de energía eléctrica. Cuando por la bobina A circula una corriente alterna, se observa que el foco se enciende, aunque no está conectado a ninguna fuente. Ello se debe a que al circular corriente alterna por la bobina A, genera un campo magnético cuya intensidad varía constantemente de valor debido al cambio de la corriente en cada alternancia, pues va desde cero hasta alcanzar un valor máximo y después disminuye para llegar otra vez a cero, con lo cual ocasiona un campo magnético variable. Recibe el nombre de bobina primaria la que está conectada a la fuente de voltaje de CA, y de bobina secundaria aquella donde la corriente es inducida. Los transformadores se utilizan para elevar o disminuir el voltaje en un circuito de CA. Si lo elevan se denominan de subida o de elevación, si lo disminuyen se llaman de bajada o de reducción. En el ejemplo de la figura tenemos un transformador de elevación, toda vez que la bobina B o secundaria tiene el doble de espiras que la A o primaria. Así, el voltaje inducido en B corresponde al doble del voltaje en A. Sin embargo, como al transformar el voltaje no cambia su potencia ni su frecuencia, el efecto que se presenta es la disminución a la mitad en la intensidad de la corriente de la bobina B. La corriente disminuye al aumentar el voltaje o viceversa, porque la potencia eléctrica de un transformador es la misma en la bobina primaria que en la secundaria, pues no genera energía y prácticamente tampoco produce pérdidas de ella, así: Potencia en la primaria = Potencia en la secundaria V I = V I p p Si la bobina secundaria tiene más espiras que la primaria, su fem o voltaje es mayor y viceversa. Donde la relación entre el voltaje y el número de vueltas en cada bobina se da con la siguiente expresión: Voltaje primario No. de vueltas del primario Voltaje = No. de vueltas del secundario secundario V p = V s N N s p s s 26

27 BOBINA DE INDUCCION 0 CARRETE DE RUHMKORFF La bobina de inducción o carrete de Ruhmkorff utiliza ampliamente en los laboratorios escolares con el objeto de generar voltajes elevados. Para ello, se alimenta de la energía proporcionada por una batería o de cualquier otra fuente que proporcione una corriente continua o directa. Dicha bobina de inducción consta de una bobina o carrete primario hecho con unas cuantas vueltas de alambre grueso, enrolladas en un núcleo de hierro, así como una bobina de salida o carrete secundario con miles de vueltas (figura siguiente). Cuando se cierra el interruptor del circuito el núcleo de hierro se imana y pasan un gran número de líneas de flujo magnético tanto por la bobina primaria como por la secundaria. El vibrador, similar al de una campanilla de un timbre eléctrico, es atraído por el núcleo de hierro y abre el circuito. Al abrir el circuito, el núcleo de hierro se desimana y las líneas magnéticas salen de la bobina secundaria y se induce en ésta una fem elevada. La intensidad del campo eléctrico obtenida en el espacio señalado por la letra A, hace producir una descarga que se observa por la presencia de una chispa. Así, el vibrador abre y cierra el circuito automática mente, produciéndose chispas en las terminales de salida A. El capacitor o condensador eléctrico sirve como un depósito al que fluye la carga si el contacto del vibrador se abre. Con ello el capacitor impide que salten chispas entre las terminales de salida y que el metal con el cual están hechas se funda. GENERADOR ELECTRICO 27

28 El generador eléctrico es un aparato que transforma la energía mecánica en energía eléctrica. Está constituido por un inductor elaborado a base de electroimanes o imanes permanentes que producen un campo magnético y por un inducido que consta de un núcleo de hierro al cual se le enrolla alambre conductor previamente aislado. Cuando se le comunica al inducido un movimiento de rotación, los alambres conductores cortan las líneas de flujo magnético, por tanto, se induce en ellas una fem alterna. Para obtener una corriente continua o directa debe incorporarse un dispositivo conveniente llamado conmutador (figura siguiente). En la mayoría de los generadores de la corriente continua el inductor que produce el campo magnético es fijo y el inducido móvil. En cambio, en los de corriente alterna permanece fijo el inducido y el inductor gira. Sin embargo, en cualquier generador eléctrico el origen de la fem inducida es por el movimiento existente entre el campo magnético creado por el inductor y los alambres conductores del inducido, lo cual provoca un flujo magnético variable. MOTOR ELECTRICO Un motor eléctrico es un aparato que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Un motor de corriente continua o directa está constituido por bobina suspendida entre los polos de un imán. Al circular una corriente eléctrica en la bobina, ésta adquiere un campo magnético y actúa como un imán, por tanto, es desplazada en movimientos de rotación, debido a la fuerza que hay entre los dos campos magnéticos. El motor de corriente alterna de inducción es el más empleado gracias a su bajo costo de mantenimiento. En general, todo motor eléctrico consta de dos partes principales: el electroimán, 28

29 llamado inductor o estator pues suele ser fijo, y el circuito eléctrico, que puede girar alrededor de un eje y recibe el nombre de inducido o rotor. de la potencia eléctrica. El PSP: Presentará diapositivas donde se ilustre la operación de los transformadores para la transmisión de la potencia eléctrica. CONTEXTUALIZACIÓN Competencia científico-teórica: Identificar las leyes y principios de la operación de los transformadores. El PSP: Proporcionará al alumno bibliografía para apoyar la integración de conocimientos de leyes y principios de la operación de los transformadores. El alumno: Elaborará una tabla de clasificación sobre las leyes y principios de la operación de los transformadores. Competencia analítica: Identificar la operación de los transformadores para la transmisión El alumno: Desarrollará un mapa conceptual que describa la operación los transformadores para la transmisión de la potencia eléctrica. Competencia de calidad: Realizar el trabajo con limpieza, orden, responsabilidad y seguridad. El PSP: Fomentará el desarrollo de actividades con limpieza, orden, responsabilidad y seguridad, para controlar los procesos en el tema de estudio e invitando a los alumnos a hacer propuestas que apoyen estas prácticas. El alumno: Propondrá acciones tendientes a favorecer la limpieza, orden, responsabilidad y seguridad en el 29

30 desarrollo de sus actividades Operación de transformadores Principio de funcionamiento del transformador En un transformador real, las líneas del flujo magnético no están confinadas enteramente en el hierro, sino que algunas de ellas se cierran a través del aire. La parte del flujo que atraviesa los dos arrollamientos se llama flujo común o útil. Un transformador se compone de dos arrollamientos aislados eléctricamente entre sí y devanados sobre un mismo núcleo de hierro. La parte del flujo que se cierra a través del aire se denomina flujo de dispersión. Una corriente alterna que circule por uno de los arrollamientos crea en el núcleo un campo magnético alterno. La mayor parte de este flujo atraviesa el otro arrollamiento e induce en él una fuerza electromotriz (fem) alterna. La potencia es transmitida de un arrollamiento a otro por medio del flujo magnético del núcleo. El arrollamiento al que se suministra potencia se denomina primario y el que cede potencia secundario. La potencia obtenida de un transformador es inferior a la potencia suministrada al mismo: Pérdidas en el cobre: pérdidas en forma de calor que se producen por efecto Joule en la resistencia de los arrollamientos primario y secundario. 30

31 Pérdidas en el hierro: pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault en el núcleo. La histéresis se reduce al mínimo utilizando hierro que tenga un ciclo de histéresis estrecho, y las corrientes de Foucault se reducen construyendo el núcleo con láminas muy finas apiladas y aisladas entre sí. m: RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN En vacío. El transformador ideal en vacío Eligiendo adecuadamente la relación entre el número de espiras del primario y del secundario, puede obtenerse en el secundario cualquier tensión que se desee, partiendo de una tensión dada en el primario. IDEAL: Los arrollamientos no tienen resistencia y no hay flujo de dispersión. EN VACÍO: El circuito del secundario está abierto, es decir, sin carga. Puesto que el mismo flujo atraviesa el primario y el secundario, la fuerza electromotriz inducida por espira es la misma en ambos: El arrollamiento primario se comportará como una autoinducción. La corriente en el primario que es pequeña, está retrasada 90º respecto a la tensión del primario. 31

32 Se denomina corriente de vacío y crea el flujo en el núcleo por lo que también se denomina magnetizante. El flujo del núcleo está en fase con la corriente del primario. Con carga. El transformador ideal en carga IDEAL: Los arrollamientos no tienen resistencia y no hay flujo de dispersión. EN CARGA: El circuito del secundario tiene conectada una impedancia. en el primario. Como en ausencia de pérdidas, la f.c.e.m. en el primario ha de ser igual a la tensión en bornes del primario, que suponemos constante, la corriente en el primario aumenta, por tanto, hasta que el flujo del núcleo se restablece en su valor inicial(sin carga). Como el transformador es ideal y no tiene pérdidas, la potencia en el primario y en el secundario serán iguales. Para una determinada potencia aparente, si crece la tensión es a costa de disminuir la intensidad y viceversa. Cuando el circuito secundario está abierto, el flujo del núcleo sólo es producido por la corriente del primario, pero cuando se cierra el secundario, tanto la corriente de primario como la de secundario crean flujo en el núcleo. Según la ley de Lenz, la corriente del secundario, oponiéndose a la causa que la produce, tiende a debilitar el flujo del núcleo y, por consiguiente, a disminuir la fuerza contraelectromotriz El transformador real en vacío En el transformador ideal en vacío, toda la corriente de vacío tenía como función magnetizar el núcleo y no existían pérdidas. 32

33 IDEAL En esas circunstancias el primario se comportaba como una bobina ideal y la corriente lo retrasaba 90º de la tensión aplicada V1. En el transformador real, la corriente de vacío no retrasa 90º de la tensión aplicada, si no un ángulo ϕ 0 < 90º. REAL Esto es debido a: La curva de magnetización no lineal. La histéresis magnética. Las corrientes Foucault. A pesar de que la corriente de vacío no sea perfectamente senoidal debido a las causas anteriores, la Im representa la corriente de vacío que consideraremos senoidal y formada por crea el flujo magnetizando el núcleo. dos componentes: Ia representa las pérdidas que se manifestarán en calentamiento del Im Componente activa o magnetizante. transformador. Ia Componente activa o de pérdidas. 33

34 El transformador real en carga primario, si no que existen flujos de dispersión además del flujo común ϕ. ϕ d1 Flujo de dispersión del primario. ϕ d2 Flujo de dispersión del secundario. En el transformador real hay que tener en cuenta las resistencias de los arrollamientos: R1 Resistencia del arrollamiento primario. R2 Resistencia del arrollamiento secundario. Estos flujos de dispersión se asocian a unas reactancias de dispersión del primario y del secundario respectivamente que junto con las resistencias de cada arrollamiento permiten la representación del transformador mediante un circuito eléctrico equivalente que facilita su estudio. Circuito equivalente del transformador real Además no todo el flujo creado por la corriente del primario llega al secundario y no todo el flujo creado por la corriente del secundario llega al De este circuito, por aplicación de las leyes de Kirchoff al primario y al secundario, se deducen las siguientes ecuaciones vectoriales de tensiones: 34

35 Diagramas vectoriales del transformador la resistencia y la reactancia del secundario, a 0º y 90º de la intensidad respectivamente para calcular el módulo y ángulo de la f.e.m. del secundario. Conocidos o medidos los valores de tensión y corriente de la carga y su desfase (V2, I2 y ϕ 2), podemos construir los diagramas vectoriales a partir de las ecuaciones vectoriales si conocemos además su relación de transformación y sus resistencias y reactancias. Diagrama vectorial del primario V2 I2 ϕ 2 R1 X1 R2 X2 m Tomamos como referencia las intensidades, teniendo en cuenta que las caídas de tensión en las resistencias están en fase con ellas y las caídas en las reactancias a 90º en adelanto. Diagrama vectorial del secundario Se construye a partir de la f.e.m. y de la intensidad del primario con su desfase (ver a continuación su cálculo), sumando vectorialmente las caídas de tensión en la resistencia y la reactancia del primario, a 0º y 90º de la intensidad respectivamente para calcular la tensión del primario en módulo y ángulo. Se construye a partir de los datos de la carga en módulo y ángulo, sumando vectorialmente las caídas de tensión en 35

36 Reducción del secundario al primario Paso del diagrama vectorial del secundario al primario Suelen ser conocidos los datos de la CARGA así como las resistencias y reactancias del transformador, con lo que es posible construir el diagrama vectorial del secundario. Para construir el diagrama vectorial del primario, necesitamos conocer E1, I1 y el ángulo que forman Ψ 1 En un transformador reductor de por ejemplo 20000/400 V, la tensión del secundario será unas 50 veces menor que la del primario mientras que la intensidad será unas 50 veces mayor. Para dibujar ambos diagramas a una escala parecida podríamos multiplicar por la relación de transformación los módulos de las tensiones del secundario y dividir por esa cantidad las intensidades. Siempre se cumple: Si I0 es despreciable (I0 < 5 I2/m): Si I 0 no es despreciable obtenemos I1 y Ψ de la suma vectorial: 1 : Para que se siga cumpliendo la ley de Ohm las impedancias del secundario deberán quedar multiplicadas por la relación de transformación al cuadrado. 36

37 Los ángulos y las potencias conservan su valor (la tensión se multiplica pero la intensidad se divide y, por tanto, la potencia queda como estaba). Diagrama vectorial reducido al primario Si dibujamos el diagrama vectorial del secundario reducido al primario, para obtener una escala similar, y si además despreciamos la corriente de vacío, con lo que la intensidad del primario será igual a la del secundario reducida al primario y con el mismo desfase respecto a las fuerzas electromotrices, obtenemos el siguiente diagrama vectorial: Ensayo de vacío del transformador Se realiza aplicando la tensión nominal al primario con el secundario sin carga (abierto). Medidas directas TENSIÓN NOMINAL DEL PRIMARIO TENSIÓN NOMINAL DEL SECUNDARIO CORRIENTE DE VACÍO POTENCIA EN VACÍO Medidas indirectas 37

38 RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN PÉRDIDAS EN EL HIERRO FACTOR DE POTENCIA EN VACÍO COMPONENTE ACTIVA O DE PÉRDIDAS COMPONENTE REACTIVA O MAGNETIZANTE IMPEDANCIA DE VACÍO RESISTENCIA DE VACÍO REACTANCIA DE VACÍO Ensayo de cortocircuito del transformador Se realiza haciendo circular la intensidad nominal por el primario con el secundario cortocircuitado (para ello basta aplicar una tensión reducida mucho menor que la nominal). Medidas directas TENSIÓN DE CORTOCIRCUITO INTENSIDAD NOMINAL DEL PRIMARIO INTENSIDAD NOMINAL DEL SECUNDARIO POTENCIA EN CORTOCIRCUITO Medidas indirectas RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN TENSIÓN DE CORTOCIRCUITO EN % FACTOR DE POTENCIA EN CORTOCIRCUITO IMPEDANCIA DE C.C. RESISTENCIA DE C.C. 38

39 REACTANCIA DE C.C. Potencia suministrada Cuando entrega una potencia igual a la nominal se dice que trabaja a plena carga. Entregando otras potencias e intensidades se aplica el concepto de índice de carga: Potencia reactiva. Potencia del transformador Potencia nominal de un transformador Son valores nominales aquellos para los cuales ha sido proyectado. Un transformador trabajando a sus características nominales evacuará el calor que produce sin dificultad, manteniendo una temperatura de trabajo no peligrosa. Si exigimos que trabaje a una potencia superior a la nominal, se calentará excesivamente. Pérdidas en el hierro El campo magnético alterno creado en el núcleo del transformador produce los fenómenos de histéresis y de corrientes parásitas o de Foucault, que dan lugar a unas pérdidas en el hierro que se manifiestan en forma de calor. En el ensayo de vacío, la corriente es tan pequeña que se pueden despreciar las pérdidas en el cobre por efecto Joule y considerar que toda la potencia medida es debida a las pérdidas en el hierro. 39

40 LA POTENCIA MEDIDA EN EL ENSAYO DE VACÍO CORRESPONDE A LAS PÉRDIDAS EN EL HIERRO Rendimiento del transformador (realizado a la tensión nominal) Además se considerarán constantes, independientes de la carga. Es la relación entre la potencia entregada y la absorbida. Pérdidas en el cobre En la resistencia de los arrollamientos del transformador se disipará una una potencia en forma de calor por efecto Joule. Se puede demostrar que el rendimiento es máximo cuando las pérdidas en el cobre se igualan a las pérdidas en el hierro: En el ensayo de cortocircuito, las pérdidas en el hierro son muy pequeñas por realizarse a una tensión reducida, del orden del 5% de la nominal y despreciables frente a las del cobre por circular, en dicho ensayo, la intensidad nominal. Caída de tensión del transformador Es la diferencia entre la tensión del secundario en vacío y en carga. LA POTENCIA MEDIDA EN EL ENSAYO DE CORTOCIRCUITO CORRESPONDE A LAS PÉRDIDAS EN EL COBRE (Realizado a la intensidad nominal) Puede demostrarse que en tanto por ciento de la tensión nominal toma el valor: 40

41 Se suele despreciar el segundo término, mucho menor que el primero: La forma de demostrarlo sería tomando como referencia fija la tensión del primario y reduciendo el secundario al primario, como se verá más adelante en los circuitos equivalentes del transformador: Se ha despreciado, obviamente, el pequeño tramo rojo del final de Vc en el diagrama. Su valor, dado en la fórmula anterior, también se puede demostrar pero suele ser muy pequeño en la mayoría de los transformadores, especialmente si la tensión de cortocircuito del transformador, como suele ser a menudo, es menor del 4%. Corriente de cortocircuito accidental Es la intensidad que absorbe de la red si trabajando a la tensión nominal el secundario se pone accidentalmente en cortocircuito. No debe confundirse con la intensidad del ensayo de cortocircuito, 41

42 normalmente la nominal, que se realiza aplicando una tensión reducida. prácticos conceptos de RCC y XCC, se puede utilizar el circuito equivalente siguiente: Circuito equivalente simplificado El transformador puede aproximarse por el circuito de la figura, donde: Donde RCC y XCC se calculan en el ensayo de cortocircuito y R0 y X0 en el ensayo de vacío. En este caso: en forma vectorial o compleja. Efectos de sobrecargas prolongadas Transformadores trifásicos Los valores del secundario se han reducido al primario y los ángulos y las potencias se conservan. Cuando no se quiere despreciar I0 y, no obstante, se desean emplear los 42

43 Se puede decir que un transformador trifásico está constituido por tres transformadores monofásicos montados en un núcleo magnético común. La constitución más común es la de tres columnas, con los arrollamientos primarios y secundarios alternados o concéntricos. El estudio del transformador trifásico se puede reducir al monofásico a condición de trabajar con los valores por fase. En este sentido, habrá que tener en cuenta que la fórmula de potencia a aplicar, en vacío, en carga o en cortocircuito, será trifásica y no monofásica. Denominación normalizada de los bornes del transformador Designación Conexión en alta tensión Mayúsculas: Y, D, Z (estrella, triángulo y zig-zag respectivamente). Conexión en baja tensión Minúsculas: y, d, z (estrella, triángulo y zig-zag respectivamente). Indice horario Desfase entre la tensión del primario y la correspondiente del secundario. 43

44 El ángulo se da por la posición de las agujas en la esfera de un reloj. Cada hora representa 30º = 360º/12h. Ejemplo: Dy11 Primario en triángulo, secundario en estrella y desfase de -30º entre las tensiones de primario y secundario. Conexiones típicas de transformadores trifásicos Los devanados de alta tensión y los de baja tensión pueden conectarse en estrella, triángulo o zigzag, dando lugar a una amplia gama de combinaciones posibles. Las más utilizadas son: Operación en paralelo de transformadores. Acoplamiento en paralelo En ciertas ocasiones es necesario acoplar transformadores en paralelo para conseguir así aumentar la potencia de salida. Para hacerlo, deberán cumplir las siguientes condiciones: Tener las mismas tensiones nominales. Tener el mismo índice horario. Tener igual (o parecida) tensión de cortocircuito. 44

45 utilizados en la práctica para la detección de falla en el aislamiento causada por sobrecargas prolongadas, solicitando al alumno investigar sus características. En la práctica se realizan primero las conexiones de alta tensión y a continuación se comprueba la tensión entre los bornes y las fases a las que se van a conectar. Si estas tensiones son nulas, la conexión es posible. El alumno: Recopilará información sobre los equipos de medición más utilizados en la práctica para la detección de falla en el aislamiento causada por sobrecargas prolongadas y elaborará un cuadro comparativo. Competencia científico-teórica: Aplicar los principios científicos de la operación de los transformadores. CONTEXTUALIZACIÓN Competencia tecnológica: Identificar los equipos de medición más utilizados en la práctica para la detección de falla en el aislamiento causada por sobrecargas prolongadas. El PSP: Dará una breve explicación sobre los equipos de medición más El PSP: Aplicará un ejercicio en el que el alumno tenga que relacionar los principios científicos de la operación de los transformadores en aplicaciones prácticas. El alumno: Resolverá el ejercicio proporcionado por el PSP, diferenciando los principios científicos de la operación de los transformadores a 45

46 las diferentes situaciones referidas. Competencia analítica: Analizar el funcionamiento de los transformadores. El PSP: Organizará una visita al taller donde explicará en actividad práctica, utilizando un transformador real, cómo funcionan los transformadores para que los alumnos identifiquen la manera en la que los equipos operan. El alumno: Tomará nota de los aspectos abordados durante la visita al taller con el propósito de identificar cómo funcionan los transformadores, así como sus dudas y observaciones para que en sesión grupal las exponga y pueda ser apoyado y/o retroalimentado Dimensionado de transformadores. Capacidad. La capacidad de un transformador es determinada a partir de las cargas a las que va alimentar. Si en una zona hay poca demanda, solo se requerirá un pequeño transformador, por el contrario, si la zona que va ha alimentar es de alta demando se requerirá un transformador de mayor capacidad. Eficiencia. Si un transformador es calculado adecuadamente, de acuerdo a la carga que a la cual se va a conectar, la eficiencia del misma será la adecuada, por el contrario, si no se consideran las cargas futuras, el transformador se verá sobrecargado y su eficiencia disminuirá. Impedancia. La aplicación de la ley de Ohm a los circuitos en los que existe una corriente alterna se complica por el 46

47 hecho de que siempre estarán presentes la capacitancia y la inductancia. La inductancia hace que el valor máximo de una corriente alterna sea menor que el valor máximo de la tensión; la capacitancia hace que el valor máximo de la tensión sea menor que el valor máximo de la corriente. La capacitancia y la inductancia inhiben el flujo de corriente alterna y deben tomarse en cuenta al calcularlo. La intensidad de corriente en los circuitos de CA puede determinarse gráficamente mediante vectores o con la ecuación algebraica La regulación en los transformadores se da por medio de los taps, cuya función es realizar un ajuste fino en la salida del voltaje, de acuerdo a los porcentajes de regulación en cada uno de los puntos del tap elegidos, así como la selección del punto óptimo de posición para la operación Marco normativo Las normas a nivel internacional que rigen el funcionamiento, operación y dimensionado de los transformadores son las IEEE, ANSI, DIN y JIS. I = R 2 ε 1 + (2πfL ) 2πfC en la que L es la inductancia, C la capacitancia y f la frecuencia de la corriente. El valor obtenido en el denominador de la fracción se denomina impedancia del circuito y suele representarse por la letra Z. Por consiguiente, la ley de Ohm para los circuitos integrados suele expresarse por la ecuación sencilla I = ε / Z. Regulación. CONTEXTUALIZACIÓN Competencia tecnológica: Identificar las nuevas instancias tecnológicas en las que incurren la instalación y operatividad de los transformadores. El PSP: Orientará al alumno en la búsqueda de información sobre las nuevas instancias tecnológicas en las que incurren la instalación y operatividad de los 47

48 transformadores. medio ambiente. El alumno: Investigará sobre las nuevas instancias tecnológicas en las que incurren la instalación y operatividad de los transformadores y discutirá sus hallazgos en clase. Competencia para la sustentabilidad: Fomentar medidas para la preservación del medio ambiente, a partir de causa-efecto e impacto que pueda ocasionar el desperdicio industrial en materia de transformadores. El PSP: Presentará un video que aborde el tema de las medidas que se aplican para la preservación del medio ambiente, a partir de causa-efecto e impacto que pueda ocasionar el desperdicio industrial en materia de transformadores. El alumno: Participará en una discusión grupal el tema presentado, proponiendo acciones que considere pueden ser de ayuda para la preservación del Competencia de calidad: Identificar la normatividad aplicable a la selección de transformadores. El PSP: Comentará que existe normatividad para la selección de transformadores debido a la normatividad a observar según la aplicación de los mismos y solicitará un reporte sobre el tema. El alumno: Elaborará un reporte, derivado de búsqueda de información realizada, sobre la normatividad aplicable a la selección de transformadores RESULTADO DE APRENDIZAJE 2.1. Describir los tipos de transformadores de acuerdo a su aplicación Tipos de transformadores. 48

49 Los transformadores se pueden clasificar por: a) La forma de su núcleo. 1. Tipo columnas. 2. Tipo acorazado. 3. Tipo envolvente. 4. Tipo radial. 2. Enfriamiento OW. 3. Enfriamiento OW/A. 4. Enfriamiento OA/AF. 5. Enfriamiento OA/FA/FA. 6. Enfriamiento FOA. 7. Enfriamiento OA/FA/FOA. 8. Enfriamiento FOW. 9. Enfriamiento A/A. 10. Enfriamiento AA/FA. b) Por el número de fases. f) Por la regulación. 1. Monofásico. 2. Trifásico. 1. Regulación fija. 2, Regulación variable con carga. 3. Regulación variable sin carga. c) Por el número de devanados. 1. Dos devanados. 2. Tres devanados, d) Por el medio refrigerante. 1 Aire. 2. Aceite. 3. Líquido inerte. g) Por la operación. 1. De potencia. 2. Distribución, 3. De instrumento. 4. De horno eléctrico. 5. De ferrocarril. Por su tamaño y forma. e) Por el tipo de enfriamiento. 1. Enfriamiento OA. POR SU LOCALIZACIÓN 1. Tipo Poste. 49

50 2. Tipo Pedestal. 3. Tipo Estación. 4. Tipo Pozo. Tipo poste: Es el transformador monofásico o trifásico empleado en el enlace entre el nivel de distribución y se utilización en redes aéreas. Figura. Tipo estación: Son utilizados en centros comerciales, hoteles, industrial y en general donde se requiere una subestación del tipo compacto ó abierto, se fabrican desde 750 KVA hasta 5000 KVA. Figura. Tipo pedestal: Se utiliza en redes de distribución subterráneas en zonas residenciales y comerciales, se fabrican para conectarse en forma radial ó en anillo, se localizan en áreas de fácil acceso. Figura. 50

51 Tipo pozo: Se emplea en redes de distribución subterránea en zonas céntricas donde no se dispone de suficiente espacio para su instalación, y como consecuencia se tiene que guardar en fosa ó pozo, de fácil acceso cubierto por rejillas metálica. El acabado exterior debe ser hermético por las condiciones del medio ambiente que lo rodean, como humedad y lluvia. Por el material de su núcleo. TRASFORMADORES DE CONTROL, MEDICIÓN Y ALUMBRADO Son del tipo seco para servicio interior con aislamiento clase B. Las capacidades nominales de transformadores monofásicos (5, 7.5, 10, 15, 25, 37.5, 50) KVA. Tensión primaria 440 volts, sin derivaciones. Tensión secundaria 240/120 volts. Las capacidades nominales de transformadores trifásicos (9, 15, 30, 45, 75, 12.5, 150) KVA. La tensión de operación primaria y conexión 440 volts, delta, con 4 derivaciones 2 más, menos 2.5%. Tensión de operación en baja tensión 220Y/127. Figura. 51