MONTAJE E INSTALACIN ELECTRICANro. DD-106

Pgina: 2

Tema :

Cdigo:82426

Semestre:III

Grupo:C

TRANSFORMADORES Y MAQUINA SINCRONACdigo: EE3050TRANSFORMADOR MONOFASICO

Alumnos : Arredondo Rodrguez Benjamn Castillo Torres Erick Neyra Nina Bryan Smelin Pinto Muoz Diego

Grupo : CProfesora: ING. Mara Teresa

Nota:

Semestre :III

Fecha de entrega :110515Hora:

TRANSFORMADOR MONOFASICOUn transformador es un dispositivo elctrico que transfiere energa entre dos o ms circuitos a travs de la induccin electromagntica.Una corriente variable en el devanado primario del transformador crea un flujo magntico variable en el ncleo y un campo magntico variable que incide sobre el devanado secundario. Este campo magntico variable en el secundario induce una fuerza electromotriz variable (FEM) o la tensin en el devanado secundario. Haciendo uso de la ley de Faraday en conjuncin con altas propiedades fundamentales permeabilidad magntica, transformadores de este modo pueden disearse para cambiar de manera eficiente voltajes de CA de un nivel de voltaje a otro dentro de las redes de energa.Los transformadores varan en tamao de menos de un centmetro cbico de volumen de unidades a de interconexin de la red elctrica que pesa cientos de toneladas. Se encuentra una amplia gama de diseos de transformadores en aplicaciones de potencia electrnicos y elctricos. Desde la invencin en 1885 del primer transformador de potencial constante, los transformadores se han convertido en esencial para la transmisin de CA, distribucin y utilizacin de la energa elctrica.La construccin de un sencillo transformador de dos devanados se compone de cada devanado ser herida en un miembro separado o ncleo de la forma de hierro dulce que proporciona el circuito magntico necesario. Este circuito magntico, saber ms comnmente como el " ncleo del transformador " est diseado para proporcionar un camino para el campo magntico fluya alrededor, que es necesaria para la induccin de la tensin entre los dos devanados

Sin embargo, este tipo de construccin del transformador fueron los dos devanados estn enrollados en extremidades diferentes no es muy eficiente ya que los devanados primario y secundario estn bien separados unos de otros. Esto resulta en un acoplamiento magntico de baja entre los dos devanados, as como grandes cantidades de fuga de flujo magntico desde el propio transformador. Pero adems de esta construccin formas " O", hay diferentes tipos de " construccin del transformador " y diseos que se utilizan para superar estos producen un transformador ms compacto ms pequeo ineficiencias.La eficiencia de un transformador de construccin sencilla se puede mejorar poniendo los dos devanados dentro de un estrecho contacto entre s mejorando as el acoplamiento magntico . Aumento y concentrar el circuito magntico alrededor de las bobinas puede mejorar el acoplamiento magntico entre los dos devanados, pero tambin tiene el efecto de aumentar las prdidas magnticas del ncleo del transformador.

Adems de proporcionar un camino de baja reluctancia para el campo magntico, el ncleo est diseado para evitar que circulan corrientes elctricas dentro del ncleo de hierro en s. Circulando corrientes, llamadas " corrientes de Foucault ", causa el calentamiento y las prdidas de energa en el ncleo disminuye la eficiencia transformadores.

Estas prdidas se deben principalmente a las tensiones inducidas en el circuito de hierro, que est siendo constantemente sometido a la configuracin de los campos magnticos alterna por la tensin de alimentacin sinusoidal externo. Una forma de reducir estas prdidas de potencia no deseada es construir el ncleo del transformador de laminaciones de acero delgadas.En todos los tipos de construccin del transformador, el ncleo central de hierro se construye a partir de un material altamente permeable hecha de laminaciones de acero al silicio delgadas ensamblados juntos para proporcionar el camino magntico requerido con el mnimo de prdidas. La resistividad de la hoja de acero en s est reduciendo alta las prdidas por corrientes parsitas al hacer las lminas muy finas.

Estas lminas de acero de transformador varan en espesor de 0,25 mm a partir de entre 0,5 mm y como el acero es un conductor, las laminaciones estn elctricamente aislados uno de otro por una capa muy delgada de barniz aislante o por el uso de una capa de xido en la superficie.

Transformador de construccin del Ncleo

Generalmente, el nombre asociado con la construccin de un transformador depende de cmo se enrollan los devanados primario y secundario alrededor del ncleo de acero laminado central. Los dos diseos ms comunes y bsicos de la construccin del transformador son los Cerrado - ncleo del transformador y el transformador de Shell -core .

En el tipo de " ncleos cerrados " (forma del ncleo) del transformador, los arrollamientos primario y secundario se enrollan exterior y rodean el anillo central. En el "tipo shell " (forma de concha) del transformador, los arrollamientos primario y secundario pasan dentro del circuito magntico de acero (ncleo ) que forma una envoltura alrededor de los bobinados , como se muestra a continuacin.

En ambos tipos de diseo de ncleo de transformador, el flujo magntico que une los devanados primario y secundario se desplaza totalmente dentro del ncleo sin prdida de flujo magntico a travs del aire. En la construccin tipo transformador de ncleo, una mitad de cada devanado se envuelve alrededor de cada pierna (o las extremidades) de los transformadores de circuito magntico como se muestra arriba.

Las bobinas no estn dispuestos con el devanado primario en una pierna y la secundaria en el otro pero en lugar media del devanado primario y medio del devanado secundario se colocan una sobre la otra de forma concntrica en cada pierna con el fin de aumentar acoplamiento magntico permitiendo que prcticamente todo de las lneas de fuerza magntica ir a travs tanto de los devanados primario y secundario al mismo tiempo. Sin embargo, con este tipo de construccin del transformador, un pequeo porcentaje de las lneas magnticas de flujo de fuerza fuera del ncleo, y esto se llama "flujo de dispersin".

Shell ncleos de tipo de transformador superar este flujo de dispersin ya que tanto los devanados primario y secundario estn enrollados en el mismo centro de la pierna o miembro que tiene dos veces el rea de la seccin transversal de los dos brazos exteriores. La ventaja aqu es que el flujo magntico tiene dos caminos magnticos cerrados fluya alrededor externa a las bobinas de ambos lados de la mano izquierda y derecha antes de volver de nuevo a las bobinas centrales.

Esto significa que el flujo magntico que circula alrededor de las extremidades exteriores de este tipo de construccin del transformador es igual a / 2. A medida que el flujo magntico tiene una trayectoria cerrada alrededor de las bobinas, esto tiene la ventaja de disminuir prdidas en el ncleo y el aumento de la eficiencia general

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El principio de induccin mutua establece que cuando las bobinas de remolque estn acopladas inductivamente y si la corriente en una bobina se cambia de manera uniforme a continuacin, una FEM se obtiene inducida en la otra bobina. Esta FEM puede conducir una corriente, cuando se proporciona una trayectoria cerrada a ella. El transformador funciona en el mismo principio. En su forma ms elemental, que consta de bobinas de induccin de remolque que estn separadas elctricamente pero enlazados a travs de un circuito magntico comn. Las dos bobinas tienen alta inductancia mutua.

Una de las dos bobinas est conectada a la fuente de tensin alterna. Esta bobina en el que la energa elctrica se alimenta con la ayuda de la fuente se llama devanado primario (P). El otro arrollamiento es conectado a la carga. La energa elctrica transformada a este bobinado se deriva a la carga.

El principio de funcionamiento del transformador tiene sus bases en la teora del electromagnetismo resumida en las ecuaciones de Maxwell.Las ecuaciones de Maxwell son un conjunto de cuatro ecuaciones (originalmente 20 ecuaciones) que describen por completo los fenmenos electromagnticos. La gran contribucin de James Clerk Maxwell fue reunir en estas ecuaciones largos aos de resultados experimentales, debidos a Coulomb, Gauss, Ampere, Faraday y otros, introduciendo los conceptos de campo y corriente de desplazamiento, y unificando los campos elctricos y magnticos en un solo concepto: el campo electromagntico.LEY DE GAUSSLa ley de Gauss explica la relacin entre el flujo del campo elctrico y una superficie cerrada. Se define como flujo elctrico () a la cantidad de fluido elctrico que atraviesa una superficie dada. Anlogo al flujo de la mecnica de fluidos, este fluido elctrico no transporta materia, pero ayuda a analizar la cantidad de campo elctrico (E) que pasa por una superficie S. Matemticamente se expresa como:

La ley dice que el flujo del campo elctrico a travs de una superficie cerrada es igual al cociente entre lacarga(q) o la suma de las cargas que hay en el interior de la superficie y lapermitividad elctricaen el vaco (), as

La forma diferencial de la ley de Gauss, en forma local, afirma que por el teorema de Stokes, la divergencia del campo elctrico es proporcional a la densidad de carga elctrica, es decir,

dondees la densidad de carga en el medio interior a la superficie cerrada. Intuitivamente significa que el campo Edivergeo sale desde una carga, lo que se representa grficamente comovectoresque salen de la fuente que las genera en todas direcciones. Por convencin si el valor de la expresin es positivo entonces los vectores salen, si es negativo estos entran a la carga.Para casos generales se debe introducir una cantidad llamada densidad de flujo elctrico() y nuestra expresin obtiene la forma:

Ley de Gauss para el campo magntico

Experimentalmente se lleg al resultado de que los campos magnticos, a diferencia de los elctricos, no comienzan y terminan en cargas diferentes. Esta ley primordialmente indica que las lneas de los campos magnticos deben ser cerradas. En otras palabras, se dice que sobre una superficie cerrada, sea cual sea sta, no seremos capaces de encerrar una fuente o sumidero de campo, esto expresa la inexistencia del mono polo magntico. Al encerrar un dipolo en una superficie cerrada, no sale ni entra flujo magntico por lo tanto, el campo magntico no diverge, no sale de la superficie. Entonces la divergencia es cero Matemticamente esto se expresa as:

Dondees la densidad deflujo magntico, tambin llamada induccin magntica. Es claro que la divergencia sea cero porque no salen ni entran vectores de campo sino que este hace caminos cerrados. El campo no diverge, es decir la divergencia de B es nula.Su forma integral equivalente:

Como en la forma integral del campo elctrico, esta ecuacin solo funciona si la integral est definida en una superficie cerrada.

Ley de Faraday-Lenz

La ley deFaradaynos habla sobre lainduccin electromagntica, la que origina unafuerza electromotrizen uncampo magntico. Es habitual llamarla ley de Faraday-Lenz en honor aHeinrich Lenzya que el signo menos proviene de laLey de Lenz. Tambin se le llama como ley de Faraday-Henry, debido a queJoseph Henrydescubri esta induccin de manera separada a Faraday pero casi simultneamente. Lo primero que se debe introducir es la fuerza electromotriz (), si tenemos un campo magntico variable con el tiempo, una fuerza electromotriz es inducida en cualquiercircuito elctrico; y esta fuerza es igual a menos la derivada temporal delflujo magntico, as:

Como el campo magntico es dependiente de la posicin tenemos que el flujo magntico es igual a:

Adems, el que exista fuerza electromotriz indica que existe un campo elctrico que se representa como:

Con lo que finalmente se obtiene la expresin de la ley de Faraday:

Lo que indica que un campo magntico que depende del tiempo implica la existencia de un campo elctrico, del que su circulacin por un camino arbitrario cerrado es igual a menos la derivada temporal del flujo magntico en cualquier superficie limitada por el camino cerrado.El signo negativo explica que el sentido de la corriente inducida es tal que su flujo se opone a la causa que lo produce, compensando as la variacin de flujo magntico (Ley de Lenz).La forma diferencial local de esta ecuacin es:

Es decir, el rotacional del campo elctrico es la derivada de la induccin magntica con respecto al tiempo.Se interpreta como sigue: si existe una variacin de campo magntico B entonces este provoca un campo elctrico E o bien la existencia de un campo magntico no estacionario en el espacio libre provoca circulaciones del vector E a lo largo de lneas cerradas. En presencia de cargas libres, como los electrones, el campo E puede desplazar las cargas y producir una corriente elctrica. Esta ecuacin relaciona los campos elctrico y magntico, y tiene otras aplicaciones prcticas cmo los motores elctricos y los generadores elctricos y explica su funcionamiento. Ms precisamente, demuestra que un voltaje puede ser generado variando el flujo magntico que atraviesa una superficie dada.Ley de Ampre generalizada

Ampre formul una relacin para un campo magntico inmvil y una corriente elctrica que no vara en el tiempo. La ley de Ampre nos dice que la circulacin en un campo magntico (vecB) a lo largo de una curva cerrada C es igual a la densidad de corriente (vec{J) sobre la superficie encerrada en la curva C, matemticamente as:

Dondees lapermeabilidad magnticaen el vaco.Pero cuando esta relacin se la considera con campos que s varan a travs del tiempo llega a clculos errneos, como el de violar la conservacin de la carga.9Maxwell corrigi esta ecuacin para lograr adaptarla a campos no estacionarios y posteriormente pudo ser comprobada experimentalmente porHeinrich Rudolf Hertz.Maxwell reformul esta ley as:

En el caso especfico estacionario esta relacin corresponde a la ley de Ampre, adems confirma que un campo elctrico que vara con el tiempo produce un campo magntico y adems es consecuente con el principio de conservacin de la cargaEn forma diferencial, esta ecuacin toma la forma:

Las caractersticas defuncionamientode lostransformadorescambian segn el tipo de carga que tenga conectada en el bobinado secundario.Esta carga puede ser de origenresistivo,capacitivooinductivo.Tomando en consideracin que lafuerza electromotriz(E2) que se induce en el secundario, est determinada por la suma vectorial del voltajede utilizacin (v) ms la cada devoltajeinterna (ec) producida por los propios bobinados, la cual es de origen inductivo y constante con cualquier tipo de carga.Dicha cada, tiene un desfase con respecto a la intensidad (corriente) que vara de acuerdo a las caractersticas ohmicas de los bobinados.Transformador con carga resistivaAl aplicarlecarga resistivaaltransformador, la intensidad (corriente) de la carga se encuentra en fase con elvoltajede utilizacin (v), al circular corriente por los bobinados se produce la cada interna (ec) que esta adelantada en un ngulo x con respecto a la intensidad (corriente).Al representar grficamente losvectoresde estas magnitudes se obtiene:

TRANSFORMADOR CON CARGA CAPACITIVACuando se aplicacarga capacitivaa untransformador, lacorriente(I) en la carga se adelanta 90 con respecto alvoltaje.Esto quiere decir que la corriente se desfasa hacia adelante 90 con respecto alvoltajede utilizacin(V).Tomando en cuenta este desfase, se obtiene la cada interna (ec) deltransformador(cada devoltaje). De esta manera la ecuacin que da de la siguiente manera:

TRANSFORMADOR CON CARGA INDUCTIVACuando a untransformadorelctricose le aplica unacargainductiva, lacorriente(intensidad) en la carga se desfasa (se atrasa) con respecto alvoltajede utilizacin.El ngulo de la corriente respecto alvoltajede utilizacin vara de acuerdo a las caractersticas del bobinado de la carga.Como la cada devoltajeinterno y la cada devoltajeen la carga tienen el mismo origen, se puede asumir que los desfases son similares, por esta razn tienen la misma direccin.

BALANCE DE ENERGA La energa total registrada se compara con la energa acumulada en los medidores de los usuarios asistidos por el transformador o alimentador particular o por la energa proporcional facturada. En un caso, se procede a la lectura de los medidores de la instalacin y retiro del registrador, mientras que otra posibilidad es el estimado a partir de la facturacin. El mtodo resulta eficaz para detectar o corroborar la perdida de energa en la zona y de qu nivel se trata, orientando la bsqueda puntual de la misma. Abril 2009 Esta operatoria puede requerir la instalacin de los equipos directamente en la intemperie sobre un transformador o en tableros de alimentacin de reducido tamao. Es importante entonces que el equipo permita una instalacin segura, en espacios reducidos y tambin a la intemperie.RENDIMIENTO DE UN TRANSFORMADOREl rendimiento de un transformador es variable y depende varios factores:- Del valor de la potencia suministrada- De la forma del transformador y- De la calidad de los materiales con los que fue contruido (ncleo y bobinados).El rendimiento, por ser un dato relativo (un dato de potencia medida depende del otro dato de potencia medido). Se expresa en porcentaje. Ver la frmula abajo.Para determinar el rendimiento de un transformador, se alimenta el bobinado primario con el voltaje nominal, se coloca la carga nominal en el bobinado secundario y se miden la potencia de entrada Pa (potencia absorbida por el transformador) y la potencia de salida Pu (potencia til).Estos valores medidos se reemplazan en la siguiente frmula.Rendimiento (%) = (Pu x 100) / PaDonde:- Pu = Potencia til- Pa = Potencia absorbida.

DETERMINACIN DEL RENDIMIENTOMedicin de la energa Medicin directa Una forma de obtener el rendimiento de una mquina es medir las potencias absorbida P1, la de salida P2 y realizar su cociente: En la figura 1 se muestra esquemticamente un posible circuito para hacer esas mediciones:

Si bien en un transformador ambas potencias son elctricas y por lo tanto fciles de medir, se presentan otros problemas. Los transformadores son mquinas que se construyen para potencias muy grandes y puede resultar imposible disponer tales potencias en los laboratorios, lo mismo que las cargas donde disiparlas. Este problema se presenta an en los transformadores de distribucin, que si bien son de potencias menores, son los ms utilizados. Un problema adicional aparece en el clculo de la potencia de prdidas Pper que resulta de la diferencia de dos magnitudes prximas entre s y al hacer la propagacin de errores, el resultado puede quedar con un error relativo inadmisible. Un ejemplo numrico puede aclarar la situacin: supngase que las potencias valen P1 = 1000 kW y P2 = 950 kW lo que dara un rendimiento del 95% y una potencia de prdidas de 50 kW. Si cada una de las potencias se mide con un error relativo de aproximadamente 1%, es decir 10 kW, la potencia P1 indicada por el wattmetro de la entrada estara comprendida entre los valores 990 1010 P1 kW Y la potencia P2 entre: 2 940 960 P2 kW Si la mala suerte hace que uno de los wattmetro indique por defecto y el otro por exceso, la potencia de prdidas resultara entre los valores: 990 960 = 30 Pper 70 = 1010 940 kW Entonces, respecto del valor exacto de 50 kW resultara: Pper = 50 20 = 50 40% kW Error excesivamente alto y que invalida la medicin. Lo anterior es absolutamente cierto y puede ocurrir toda vez que se hace una determinacin como diferencia de dos magnitudes con valores prximos entre s. Otro inconveniente de la determinacin anterior es que no se sabe qu valor le corresponde a cada una de las prdidas por separado.

DETERMINACIN A PARTIR DEL CIRCUITO EQUIVALENTEComo en el caso del transformador el circuito equivalente es un modelo que se aproxima mucho a la realidad y sus parmetros se pueden determinar con facilidad y exactitud, an en unidades de gran potencia, es preferible determinar el rendimiento a partir del mismo, que es la forma indicada en las normas y por lo tanto se denomina convencional. El rendimiento se puede expresar como:

En un transformador monofsico esas potencias valen:

Pcu=ReI22Pfe=Donde U2 generalmente es el valor nominal U2n que es constante; la corriente I2 y el factor de potencia cos 2 definen la carga para la cual se quiere calcular el rendimiento, es decir se eligen. Como se est trabajando con magnitudes del secundario, los parmetros re y Rp deben estar referidos a ese arrollamiento

Como la tensin secundaria del transformador vara muy poco con la carga, la potencia aparente de salida, que a veces se la indica como carga k, en por unidad, resulta prcticamente igual a la corriente de salida, tambin en por unidad:K[]=S2[]===I2[]Reemplazando queda:N=Forma muy cmoda ya que utiliza las potencias medidas en los ensayos en cortocircuito y en vaco en pu.