Unidad I: Generalidades. Qué importancia tienen los transformadores en el sector eléctrico?

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Lourdes Cordero Revuelta
hace 6 años
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1 Unidad I: Generalidades Qué es un transformador? Un transformador es una máquina estática de corriente alterna CA que se encarga de cambiar el nivel de tensión de entrada por un nivel de tensión específico a la salida, de esta manera, el transporte de grandes cantidades de potencia se puede realizar con pocas perdidas. Qué importancia tienen los transformadores en el sector eléctrico? Para responder esta pregunta, es necesario pensar en la ubicación geográfica que ocupa la generación con respecto a los centros de consumo de energía eléctrica, generalmente, los centros de generación se encuentran demasiado leos de los consumidores, supongamos un sistema de potencia sencillo como el que se muestra en la figura 1. figura 1. P : Potencia demandada en el nodo. V : nivel de tensión en el nodo. I i : corriente que fluye por la línea i La corriente atreves de la línea está dada por: P P VIi cos Ii (1) V cos Asumiendo un factor de potencia cos 1, la expresión para la corriente I i queda dada por: P Ii () V Y la caída de tensión está dada por: Así, reemplazando () en (3): Así, las perdidas en la línea son: V IiR (3) P V R (4) V P loss I R (5) i Las cuales, al reemplazar () en (5) se pueden expresar como:

2 P Ploss R V Qué acción tomar para reducir las pérdidas y la caída de tensión? (6) Observando las ecuaciones (4) y (6), podemos encontrar tres formas diferentes de reducir las pérdidas y la caída de tensión, las cuales se enuncian a continuación: Disminuir P : Esta opción implica no satisfacer parte de la demanda, lo cual no es viable debido a los estándares de calidad de servicio. Disminuir R: Esta opción, tiene un inconveniente de tipo económico, pues para reducir la resistencia de un conductor eléctrico, es necesario ya sea materiales de baa resistividad, o los mismos materiales que existen con sección transversal mayor, lo que incrementa el costo de dichos elementos así como las estructuras usadas para soportarlos. Lo anterior es fácil de ver si recordamos que: l R (7) S figura. R: Resistencia eléctrica :Resistividad del material l : longitud del conductor S : Sección transversal Aumentar V : Por simple inspección, es fácil notar que tanto la caída de tensión como las pérdidas, dependen del inverso de la tensión en el nodo de recibo, por lo tanto, el aumento de esta se reflea en una disminución de ambas. Así, los transformadores asumen la responsabilidad de mantener estos valores (perdidas y caída de tensión) lo más bao posible. Tengamos presente que la generación de electricidad, es realizada a niveles de tensión relativamente baos, entre 1-5 kv (MT según RETIE), y los usuarios finales, por eemplo los usuarios residenciales, consumen potencia a V (BT según RETIE). Generación Subtransmisión 115 kv T1 Transmisión kv Subtransmisión 115 kv T T3 T4 figura 3. Distribución 13, kv Distribución kv

Los devanados se pueden clasificar como primario, secundario, etc.

3 De qué consta un transformador? Un transformador consta de dos partes fundamentales, un núcleo y dos o más devanados acoplados magnéticamente entre sí, generalmente no existe conexión eléctrica entre devanados. Los devanados se pueden clasificar como primario, secundario, etc. de baa y devanado de alta según el nivel de tensión que manean, así, si hablamos de un transformador reductor, el devanado que se alimenta es el devanado de alta, y el secundario será el devanado de baa. En cuanto al núcleo, puede ser de diferentes materiales con diversas propiedades y características según sea su aplicación (núcleo de aire, núcleo de acero, laminado, enrollado etc). A continuación se muestran algunos eemplos. Transformador monofásico: Núcleo figura 4. Como se muestra en la figura, este transformador consta de un nucleo que se encarga de conducir el fluo magnetico producido por la excitación de una bobina a otra. Autotransformador serie figura 5. serie secundario o común Este tipo de transformadores presentan una conexión eléctrica entre sus devanados, y son usados para realizar cambios pequeños entre la tensión del primario y el secundario, se habla de una relación técnicamente aceptable de hasta :1. Transformador tri-devanado figura 6. primario secundario terciario Son transformadores que constan de tres devanados, primario, secundario y terciario respectivamente, lo cual hace posible obtener diferentes tensiones de salida con una misma tensión de alimentación.

la ley de inducción de Faraday. Ley de Ampere figura 7. Un conductor que porta una corriente, genera un campo magnético a su alrededor.

i + e - Si una espira se encuentra en presencia de un campo magnético variante con el tiempo, se inducirá en las terminales de esta una

4 Cómo funciona un transformador? Los transformadores basan su funcionamiento en la teoría electromagnética, fundamentalmente en dos principios de esta, la ley de Ampere y la ley de inducción de Faraday. Ley de Ampere figura 7. Un conductor que porta una corriente, genera un campo magnético a su alrededor. H dl I encerrada (8) Ley de inducción de Faraday figura 8. i + e - Si una espira se encuentra en presencia de un campo magnético variante con el tiempo, se inducirá en las terminales de esta una tensión dada por: eind (9) dt De (9), si se conectan N espiras en serie, el cual es el caso de un transformador, la expresión se convierte en: e ind N (10) dt Análisis del transformador en vacio Supongamos un transformador en vacio, es decir sin carga conectada a su devanado secundario, como se muestra. V V sen( wt) m figura 9.

5 Suposiciones Los devanados son reales, por lo tanto presentan una resistencia al paso de la corriente eléctrica. Sin embargo, se desprecian las pérdidas por efecto Joule y se asume que las caídas de tensión en los devanados son muy pequeñas ( R 0). El núcleo tiene permeabilidad finita, sin embargo el fluo de dispersión no se considera, todo el fluo que se produce por la excitación de la bobina primaria, es acarreado por el núcleo. Al aplicar una tensión en terminales del devanado primario, circula una corriente i p, la cual induce un campo magnético que es direccionado por el núcleo hacia el devanado segundario y luego nuevamente hacia el devanado primario, este efecto induce dos tensiones e 1 en el devanado primario y e en el devanado secundario. V Ri1 N1 V N1 (11) dt dt Debido a la naturaleza senoidal de la tensión aplicada, el fluo magnético también es de esta naturaleza, dado por: Por lo tanto: msen( wt) (1) e N wcos( wt) 1 1 w f e N f cos( ft) 1 1 RMS N1 f e1 4.44N1f (13) Realizando un análisis similar para el devanado secundario, asumiendo un fluo uniforme que atraviesa el núcleo de forma perpendicular a su sección transversal, se tiene que: RMS N f e 4.44Nf (14)

Así: e 4.44N f N (15) e N f N RMS 1 1 1 RMS 4.

Análisis del transformador bao carga figura 10.

6 Así: e 4.44N f N (15) e N f N RMS RMS 4.44 La ecuación (15), muestra la relación de transformación de un transformador, conocida como a, la cual muestra una relación directa entre la tensión del primario y la del secundario. Análisis del transformador bao carga figura 10. Cuando se conecta una carga en el devanado secundario del transformador, empieza a circular una corriente que, por la ley de Ampere, genera un fluo magnético que se opone al fluo magnético inicial, esta acción, produce un incremento de corriente en el devanado primario para contrarrestar el efecto desmagnetizante, hasta lograr un balance en las fuerzas magnetomotriz de los devanados primario y secundario. figura 11. Si 0, es decir, el material es de alta permeabilidad, se tiene que: I N I N IN I N (16) 1 Lo cual muestra que entre las corrientes, existe una relación de 1/a, contraria a la relación entre las tensiones del transformador.

7 Clasificación de los transformadores Como se ha insinuado antes, los transformadores son diversos y tienen múltiples aplicaciones, a continuación se muestra una clasificación según la norma NT317, la cual establece tres criterios de clasificación diferentes. Por tamaño: Transformadores de distribución (5-500 kva) Transformadores de potencia (mayores o iguales a 500 kva) Transformadores de medición (CT s PT s) Por aislamiento: Sumergidos en líquido Secos Por localización: Para instalación interna. Para instalación exterior. Tipo poste. Tipo estación. Unitario de subestación. Sumergible. Subterraneo. Tipo bodega En red. Bao superficie. Tipo pedestal. Directamente puesto a tierra Problemas que se presentan en los transformadores Pérdidas. Refrigeración. Fluos de dispersión. Corriente de excitación. Campo eléctrico. Ruido.

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