Componentes y Funcionamiento de Transformadores y Motores Asíncronos Trifásicos

Características Constructivas de los Transformadores

a) Núcleo

Se construye con chapa laminada de acero al silicio (máximo 5%). En transformadores de mediana y elevada potencia se utiliza grano orientado, con la última laminación en frío. La mejora en la permeabilidad magnética se logra en el sentido de la laminación.

Para reducir la dispersión de flujo magnético en los transformadores trifásicos también se recurre a los núcleos acorazados. Una mejora que podría introducirse cuando se utiliza acero al silicio con grano orientado es la construcción en forma de cinta. Las secciones transversales que habitualmente encontramos tienen forma rectangular o cuadrada en transformadores pequeños. En transformadores medianos o grandes las columnas suelen tender a secciones circulares, mejorando así la eficiencia y logrando reducir el tamaño de la máquina. Esto se debe a que los conductores, por su flujo, son difíciles de moldear. Las secciones se escalonan en 3 o más pasos.

b) Bobinas

La sección puede ser circular (alambre regular) o de planchuela rectangular. La sección rectangular es más manejable para confeccionar las bobinas. Para grandes secciones que manejarán grandes corrientes la única opción es la planchuela. Los bobinados se pueden construir de dos formas.

• Concéntrico, cilíndrico: Se limita a transformadores pequeños. Para grandes potencias se torna difícil el manejo de arrollamiento por sus dimensiones y peso. Las sobretensiones pueden dañarlo obligando a desarmar totalmente el transformador (si es reductor). Estas sobretensiones pueden originarse por descargas atmosféricas.
• Alternado o en discos: Se fracciona el número total de espiras en grupos de bobinas y se conectan en serie. Se reduce el tipo de fabricación ya que puede producirse simultáneamente. Se reduce el peso y el tamaño de las bobinas dejándolas más manejables. Es más fácil, rápida y económica la reparación (solo se reemplaza el disco dañado). Al alternar bobinas de primario y secundario la distribución de flujo es más homogénea.

c) Refrigerante-aislante

Este fluido se utiliza para homogeneizar la temperatura en todas las partes del transformador. Como función adicional cumple con la mejora de rigidez dieléctrica del transformador. Características:

• Ausencia de humedad.
• Rigidez dieléctrica 200 kV/cm.
• De incorporar humedad, la rigidez dieléctrica puede reducirse a la décima parte.
• Bajo contenido de azufre, de lo contrario reacciona con el cobre formando una capa de aislante que afecta a los contactos (máximo de 0.2%).
• Ausencia de impurezas, las cuales disminuirán la rigidez dieléctrica y favorecerán la formación de barros en la cuba de transformadores.

d) Cuba

Contiene al transformador y al fluido dieléctrico refrigerante. Dependiendo del sistema de refrigeración, la cuba puede ser lisa, aletada, con tubos o con radiadores. La cuba se encuentra cerrada herméticamente y posee un tanque de expansión. Este depósito amortigua las variaciones de presión debidas a los cambios de temperatura. De existir una conexión al exterior, debe hacerse a través de un filtro con sílica-gel. En algunos transformadores se coloca en la parte superior un depósito con un diafragma para compensar las variaciones de presión.

e) Refrigeración

Las pérdidas producen calor y, de acumularse este, dañaría los aislantes. Para evitar este fenómeno se adoptan distintos sistemas de refrigeración:

• ONAN (Oil Natural Air Natural): Circulación natural del refrigerante con termosifón (diferencia de temperatura y densidad). El aire también circula naturalmente por la superficie de intercambio, las cuales pueden ser lisas, aletadas, con tubos o con radiador.
• ONAF (Oil Natural Air Forced): La circulación del aceite sigue siendo por termofusión, pero en este caso se incorpora un forzador de aire sobre los radiadores. De esta manera se intercambia mayor cantidad de aire por unidad de tiempo.
• OFAF (Oil Forced Air Forced): La circulación de aceite se realiza por bomba y el aire es obligado a circular por ventiladores. En virtud de las turbulencias que pueden producirse en el interior del transformador, se debe tener en cuenta la ausencia de partículas en suspensión.
• OFWF (Oil Forced Water Forced): El aceite circula por bomba y se agrega un intercambiador de calor con agua fría proveniente de una torre de enfriamiento.

Motores Asíncronos Trifásicos

Los motores se componen de dos grupos de partes: Estator (estático y sin movimiento) y Rotor (movimiento circular).

a) El estator se compone de:

• Carcasa
• Tapas o escudo
• Núcleo estatórico (laminado)
• Devanado

Carcasa: Puede ser de chapa rolada y soldada o de fundición de aluminio, en cuyo caso se incorpora aletas para mejorar la transferencia del calor hacia el aire. Esta parte no solo sujeta al núcleo estatórico, sino que también sirve de apoyo a las tapas del motor. Dependiendo del tamaño del motor, se le puede incorporar un gancho de elevación.

Tapas o escudo: De fundición gris o aluminio, sirviendo para alojar los bujes o rodamientos del motor. Pueden tener perforaciones o aletas para mejorar la ventilación.

Núcleo estatórico: Elemento magnético activo del estator, se construye con acero al silicio, laminado en espesor de 0.15 a 0.25 mm. En el radio interior se practican ranuras para alojar el devanado estatórico.

Devanado estatórico: Está formado por bobinas que se ubican en las ranuras del núcleo estatórico. Generalmente se construyen en alambre de cobre de sección circular. Debe existir una aislación plástica entre los arrollamientos y el núcleo estatórico.

b) El rotor se compone de:

• Núcleo
• Devanado

Núcleo: Se construye de acero laminado con la incorporación de silicio, por estar sometido a un campo alterno. Puede ser ranurado o bien perforado para alojar las barras de la jaula de ardilla (devanado rotórico).

Devanado: Este devanado se compone por barras de aluminio, producto de la inyección del material en las ranuras del núcleo. En el mismo molde encontramos las cavidades para los anillos de cortocircuito y, en algunos casos, para las aletas de ventilación.

Campo Giratorio: Condiciones

En el interior de un motor trifásico se encuentran 3 bobinas o grupos de ellas desfasadas entre sí 120º. Estas bobinas son recorridas por intensidades de corrientes desfasadas en el tiempo provenientes de un sistema trifásico.

(Imagen gráfica)

La circulación de las corrientes trifásicas en las bobinas produce un campo magnético constante y giratorio. La circulación de 3 corrientes desfasadas 120º en el espacio, genera un campo constante y giratorio. En general, la circulación de n corrientes desfasadas αº en el tiempo, por n bobinas desfasadas αº en el espacio, genera un campo magnético constante y giratorio. El ángulo geométrico que avanza el campo es igual al número de ángulo eléctrico ωt. En el caso de un motor bipolar, el campo gira una vuelta por período (como el de la figura).

Velocidad del Campo Rotante

En una máquina multipolar, cada fase lleva varios grupos de bobinas. De esta manera se logra un campo magnético giratorio de varios pares de polos. Si llamamos p al número de pares de polos, el campo avanza una fracción 1/p en un período. Si la frecuencia es f, el campo girará a una velocidad de f/p rpm. ns = 60 * f / p (rpm) donde: f es la frecuencia de la red; p son los pares de polos por fase; ns es la velocidad del campo (sincrónico). Como el rotor gira debido a fuerzas inducidas por velocidades relativas entre el campo y el rotor, este último nunca puede alcanzar la velocidad del campo. Por este motivo a este tipo de motores se lo denomina asincrónico.

Cambio de Giro

El cambio de sentido de giro se consigue permutando 2 cualesquiera de las 3 fases en la conexión del motor.

Motor con Rotor Abierto: Comparación con un Transformador Trifásico

El motor trifásico tiene un devanado estatórico formado por 3 grupos de bobinas y un devanado rotórico formado por 3 bobinas o una válvula. Ambos bobinados están aislados eléctricamente y enlazados a través de un campo magnético. Si se compara con un transformador, tiene este motor un primario (devanado estatórico) y un secundario (devanado rotórico) separado por un entrehierro. Por estar distribuido el devanado en el espacio, aparecen diferencias que se traducen en los siguientes factores o coeficientes.