1.1 Qué es y para qué sirve un transformador?

Transcripción

1 TRANSFORMADORES_01_CORR:Maquetación 1 16/01/ :39 Página 1 Capítulo Qué es y para qué sirve un transformador? Un transformador es una máquina eléctrica estática que transforma la energía eléctrica recibida en otra energía eléctrica de características distintas, bien sea de tensión, intensidad, etc. (Figura 1). Figura 1. Aspecto físico de un transformador. El transformador es uno de los equipos eléctricos más útiles de los utilizados en la electricidad, puede aumentar o disminuir la tensión, puede aislar un circuito de otro. El transformador se utiliza, la mayoría de las veces, para rebajar la tensión de alimentación a valores más bajos y así poder manipular los circuitos sin riesgos para los usuarios. El devanado primario es el que recibe la energía y el devanado secundario es el que la cede. Un transformador, al ser una máquina estática, no tiene pérdidas mecánicas y por tanto puede alcanzar rendimientos del 98%. 1

2 TRANSFORMADORES_01_CORR:Maquetación 1 16/01/ :39 Página 2 Transformadores Las únicas pérdidas son en el hierro (chapa magnética) y en el cobre (conductores de los devanados). Estas pérdidas producen caídas de tensión que modifican ligeramente la relación de transformación. Las aplicaciones de los transformadores son innumerables. Se utilizan en cuadros de mando y control, equipos de soldadura, alumbrado de piscinas, equipos médicos, ignición de calderas, en general en todos aquellos equipos que precisan adaptar las tensiones normalizadas que suministran las compañías eléctricas a las precisadas por los equipos. 1.2 Constitución Está constituido por dos circuitos principales: Circuito eléctrico Devanado primario Devanado secundario Circuito magnético Chapa magnética 1.3 Circuito eléctrico El circuito eléctrico está constituido por dos devanados, uno denominado primario y otro secundario. Devanado primario Está compuesto por una bobina de hilo esmaltado de cobre o aluminio que se arrolla en un carrete de plástico o cartón en la chapa magnética. En un transformador el devanado primario es el que se conecta a la red, independientemente de que sea el que tenga mayor o menor número de espiras y, por tanto, mayor o menor tensión (figura 2). Figura 2. Devanados primario y secundario arrollados alrededor de la chapa magnética formando un transformador. 2

3 TRANSFORMADORES_01_CORR:Maquetación 1 16/01/ :39 Página 3 Al realizar el bobinado de un transformador, primero se arrolla el devanado de menor tensión, posteriormente una capa de cartón aislante y a continuación el bobinado de mayor tensión, que generalmente es el devanado primario. Se debe de realizar de esta manera, para que en caso de derivación a masa sea la menor tensión la que se derive y, por tanto, el peligro sea menor. La figura 3 muestra el devanado secundario de un transformador ya bobinado. Figura 3. Detalle del arrollamiento secundario de un transformador. Devanado secundario También este devanado está constituido por una bobina de hilo esmaltado arrollada a través del núcleo magnético. A este devanado se le conecta la carga para utilizar la nueva tensión obtenida. Suele ser de mayor diámetro que el hilo del devanado primario 1.4 Circuito magnético Está compuesto por la chapa magnética formando un empilado que será denominado, en lo sucesivo, núcleo magnético. Figura 4. Núcleo magnético de un transformador monofásico. 3

4 TRANSFORMADORES_01_CORR:Maquetación 1 16/01/ :39 Página 4 Transformadores Este circuito puede adoptar diversas formas dependiendo del tipo de transformador. En el capítulo de chapa magnética se encuentra una información más extensa sobre el circuito magnético. La figura 4 muestra un empilado magnético, formado por muchas chapas. 1.5 Simbología Los símbolos más utilizados en esquemas eléctricos son los indicados en las figuras 5 y 6. Transformadores monofásicos Figura 5. Símbolos utilizados para identificar los transformadores monofásicos. Transformadores trifásicos Figura 6. Símbolos utilizados para representar los transformadores trifásicos. 1.6 Flujo de dispersión Al circular una corriente eléctrica por el devanado primario, crea una líneas de fuerza que se cierran por el núcleo del transformador formando un flujo magnético, (la unión de todas las líneas de fuerzas), denominado flujo principal Φ. Pero no todo el flujo magnético se cierra por el núcleo del transformador. Existen un número importante de líneas de fuerza que se dispersan a través de aire, (reluctancia constante), que es nociva para el transformador, toda vez que se manifiesta en forma de pérdidas. Este flujo se denomina flujo de dispersión Φ 1. Al circular una corriente por el devanado secundario, ocurre otro tanto de lo mismo, un flujo de dispersión en el devanado secundario Φ 2. (figura 7). Φ = Flujo principal Φ 1 = Flujo de dispersión en el devanado primario Φ 2 = Flujo de dispersión en el devanado secundario 4

5 TRANSFORMADORES_01_CORR:Maquetación 1 16/01/ :39 Página 5 Φ Φ 1 Φ2 Φ+ Φ 1 Φ+ Φ 2 Figura 7. Detalle de los flujos de dispersión y principal. Estos flujos de dispersión, el creado en el primario y en el secundario, se pueden considerar como reactancias de dispersión X 1 y X Densidad de corriente Se llama densidad de corriente a la relación que existe entre la intensidad que recorre un conductor y la sección de este en mm 2. S = Sección en mm 2. J = Densidad de corriente en A/mm 2 I = Intensidad en amperios La densidad de corriente indica los amperios que circulan o pueden circular por un conductor sin peligro de calentamiento de éste. La densidad de corriente en un conductor depende de muchos factores, entre ellos, del tipo de cable de la sección del conductor, al aumentar la sección del conductor la densidad admisible disminuye. La densidad de corriente puede ser distinta en cada punto del conductor. Ahora bien, al duplicarse la sección del conductor, no se duplica la superficie del hilo y por tanto, no puede disiparse el doble de calor. La corriente que puede circular por el hilo no puede ser el doble, y por tanto, la densidad será menor que con la sección más pequeña. Ejemplo Se pretende conocer la densidad de corriente de un conductor de 4 mm de diámetro y por el que va a circular una intensidad de 10 amperios. Los hilos de bobinar transformadores y motores eléctricos se expresan en diámetro, como la densidad de corriente J se expresa en A/mm 2 se tiene que convertir el diámetro en sección. 5

6 TRANSFORMADORES_01_CORR:Maquetación 1 16/01/ :39 Página 6 Transformadores Quiere decir que circulan 4.3 amperios por cada mm 2 de ese conductor. Si por este mismo conductor se hiciera pasar una intensidad de 20 amperios la densidad sería: Por cada mm 2 circula una intensidad de 8.6 amperios. Como el conductor sigue siendo de la misma sección, 2.3 mm 2, se observa que circula mucha más intensidad, concretamente el doble. Si esos mismos 10 amperios se hicieran circular en vez de por un conductor de 4 mm. de diámetro por uno de 8 mm, la densidad de corriente, teóricamente, debería ser la mitad, 4.34 A/mm 2 /2 = 2.17 A/mm 2, pero no es así. Se observa, que no es la mitad, 2.17 A mm 2, que es un valor superior a éste. Resumen Para una misma intensidad si la sección es pequeña la densidad es grande, si la sección es grande la densidad es pequeña. Al circular corriente eléctrica por un conductor se produce calor, la cantidad de calor que se produce es, teniendo en cuenta la ley de Joule: Este calor aumentará la temperatura del conductor hasta que la cantidad de calor que se produce sea igual a la que se disipa en él por conducción, convención y radiación. El calor disipado depende de la intensidad, de la sección del conductor, del aislamiento de éste y del lugar donde esté alojado. 6

7 TRANSFORMADORES_01_CORR:Maquetación 1 16/01/ :39 Página 7 Es natural que para que el conductor no produzca más calor del que puede disipar, pues sería peligroso, la intensidad esté limitada hasta un valor máximo. No existe una norma concreta sobre los valores recomendados para la densidad de corriente en los transformadores, pues este valor depende de muchos factores, como son: refrigeración, tipo de devanado, manera de realizar el bobinado, potencia del transformador, etc., y sobre todo juega un papel muy importante la experiencia en la construcción de transformadores. 7