Transformadores: Tipos, Funcionamiento y Cálculos

Mantenimiento

Tipos de Mantenimiento

• Mantenimiento Correctivo: Se realiza en el momento indicado para corregir y resolver las averías surgidas. Se emplea en pequeñas y medianas empresas.
• Mantenimiento Preventivo: Se aplica para reducir la frecuencia de averías y acortar el tiempo de parada por las mismas. Surge por la necesidad de restringir paradas inesperadas en la producción.
• Mantenimiento Planificado: Se establece un plan de actuación, con unas operaciones que se efectúan periódicamente en función del tiempo de trabajo y el deterioro. El plan establece como actuación de control la frecuencia de inspección.

Transformadores

Máquina estática que transforma, elevando o reduciendo, los valores de tensión y de intensidad de entrada de una potencia dada y devuelve valores distintos en la salida. Es una máquina reversible, puede ser tanto elevador como reductor.

Principio de Funcionamiento

Formado por un circuito magnético, formado por chapas apiladas y aisladas entre ellas para reducir las corrientes inducidas. Sobre el núcleo magnético se enrollan los circuitos eléctricos primario y secundario, cada uno con un determinado número de espiras.

Clasificación de los Transformadores de Potencia

• Por su función: Elevador, estabilizador o reductor.
• Por número de fases: Monofásico o trifásico.
• Por ubicación: Interior o intemperie.
• Por refrigerante: Seco o aceite.
• Por tipo de refrigeración: Natural o forzada.

Transformadores de Medida

Se emplean para alimentar aparatos de medida y aparatos de protección cuando los conductores pertenecen a redes de alta tensión o son recorridas por corrientes elevadas.

Circuito Magnético

Sistema formado por chapas de material ferromagnético, apiladas y aisladas entre ellas para reducir el flujo de dispersión.

Construcción Magnética de los Transformadores

• Transformadores de columna: Sirven para trabajar con grandes potencias. Se utilizan para equipos de soldadura eléctrica y equipos de mucha seguridad.
• Transformador acorazado: Formado por dos culatas y tres columnas. La columna central tiene el doble de sección de hierro que las dos laterales, para soportar la totalidad del flujo de las columnas laterales.
• Transformador toroidal: El núcleo tiene forma de anillo cerrado para facilitar la obtención de bobinas con relación al circuito.

Aislantes

• Barnices: Aislante viscoso resistente a la humedad y a los contactos con las carcasas de protección. Tiene poder de penetración, elasticidad, resistencia al aceite, al calor, etc.
• Entrecapas: Se coloca una fina capa de papel aislante (presspan, poliéster, etc.). Evita que las espiras se pongan en cortocircuito entre ellas.

Autotransformador

Transformador cuyos bobinados primario y secundario tienen partes comunes, un único bobinado que comparte sus espiras en proporción a las tensiones de entrada y salida.

Cálculo Teórico de un Transformador

• Potencia del transformador: Potencia que el transformador puede soportar en su bobinado secundario, ya que se construye teniendo en cuenta la carga que soportará en su bobinado de salida. S₁ = V₁ · I₁
• Sección del núcleo: Área transversal que tiene el núcleo magnético en la que va el bobinado. La sección del núcleo está relacionada directamente con la potencia del transformador. A_n = lado · lado
• Cálculo de número de chapas: El número de chapas se calculará en función de la sección del núcleo, el ancho y el espesor de la chapa. Nº chapas = 10 · (A_n / a · Δ) donde: A_n = sección del núcleo; a = ancho de chapa; Δ = espesor de la chapa.
• Bobinado: Espiras enrolladas sobre un núcleo. Se construyen sobre un carrete aislante con hueco central para las chapas. Colocamos un taco dentro del carrete con un agujero para sujetarlo al eje de la bobinadora. El taco evita que pueda hundirse el carrete por presión del hilo.
• Relación de transformación: Es el cociente que resulta de dividir el número de espiras del primario entre el secundario. m = N₁ / N₂; F.E.M = E₁ = 4,44 · f · N₁ · Φ_max; E₂ = 4,44 · f · N₂ · Φ_max
• Inducción magnética: Cantidad de líneas de fuerza que atraviesan perpendicularmente la unidad de superficie, se mide en tesla. B_max = (Φ_max / A_n) donde: B_max = inducción máxima; Φ_max = flujo máximo; A_n = sección del núcleo.
• Número de espiras: Despejamos N₁ y N₂ de las fórmulas anteriores: N₁ = E₁ / (4,44 · f · Φ_max)
• Espiras por voltio: n/V; (N₁/V₁) = (N₂/V₂) = (1 / 4,44 · f · Φ_max)
• Intensidad de los circuitos eléctricos: I₁ = S / V₁; I₂ = S / V₂
• Sección de los conductores: S_cu = I / δ donde: I = intensidad; δ = densidad de corriente eléctrica.

Transformador en Vacío

• P_fe: Se producen en el transformador en vacío debido a las corrientes de Foucault, que se producen en cualquier conductor cuando está sometido a una variación del flujo. Dependerá del material con que esté hecho el núcleo magnético.
• Histéresis: Es el fenómeno que se produce cuando la inmutación de los materiales depende del flujo y de los estados magnéticos anteriores. La potencia perdida depende del tipo de material. P_h = k_h · f · B_max donde: k_h = coeficiente de cada material; f = frecuencia; B_max = inducción.
• Ensayo en vacío:
  1. Pérdidas en el hierro = P_fe + P_h
  2. Intensidad en vacío
  3. Relación del transformador: m = V₁ / V₂
  4. Impedancia: Z = V₁ / I₁
  5. Potencia aparente: S_ap = V₁ · I₁
  6. Ángulo de desfase: cos φ = P_med / S_ap

Transformador en Cortocircuito

• P_cu: Se determinan con el vatímetro conectado en el primario. P_cc = P_cu = R₁ · I₁² + R₂ · I₂²
• Cálculos en cortocircuito:
  1. Resistencia: R_cc = R₁ + R₂
  2. Inductancia: X_cc = X_d1 + X_d2
  3. Impedancia: Z_cc = V_cc / I₁
  4. Intensidad de cortocircuito: I_cc = V₁ / (m · √R_cc² + X_cc²)
  5. Factor de potencia de corto: cos φ = P_cc / (V_cc · I₁)
  6. Rendimiento: η = P₁ / P₂; η = P_u / (P_u + P_cu + P_fe)