Unidad v MAquinas Electricas

Subsecretara de Educacin Superior

Direccin General de Educacin Superior Tecnolgica

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Cd. y Puerto de Lzaro Crdenas, Mich., 10 de Junio de 2015.

MAQUINAS ELECTRICAS

Transformadores

Unidad V

ALUMNO: RUBEN GUTIERREZ MEDINA

NMERO DE CONTROL: 12560675

DOCENTE: ING. REY DAVID GAMA FLORES






INTRODUCCION ........................................................................................................................... 3

Transformadores .............................................................................................................................. 4

Definicin fundamental de un transformador ............................................................................. 4

Constitucin del transformador ................................................................................................ 4 Transformador Ideal ........................................................................................................................ 5

Transferencia mxima de potencia por los dispositivos igualadores de impedancia .................. 7

Circuito equivalente del transformador con ncleo de hierro ..................................................... 9

Regulacin de voltaje con cargas en factor de potencia ..............................................................11

Eficiencia de un transformador con carga a factor de potencia ..................................................12

Autotransformadores ...................................................................................................................13

Conexin de transformadores monofsicos en arreglo a trifsico ..............................................14

Conexin de transformadores monofsicos en arreglos de autotransformadores trifsicos. ....15

Conclusin .....................................................................................................................................16






INTRODUCCION

En el siguiente documento se presenta una breve investigacin de Transformadores correspondiente a

la unidad V de la materia de maquinas elctricas.

Se har mencin de la definicin de un transformador el cual es un dispositivo elctrico que permite

aumentar o disminuir la tensin en un circuito de corriente alterna. Analizaremos un transformador

Ideal. As como tambin se har mencin de los dispositivos igualadores de impedancia y su mxima

transferencia de potencia, los transformadores con ncleo de hierro, la regulacin de voltaje con cargas

en factor de potencia, como hacer los clculos de eficiencia del transformador con carga a factor de

potencia y otros temas de suma importancia relacionados con los transformadores.






Transformadores Definicin fundamental de un transformador

Un transformador es una maquina elctrica esttica que transforma la energa elctrica recibida en

otra energa de caractersticas distintas, bien sea de tensin, intensidad, etc.

El transformador es uno de los equipos elctricos ms tiles de los utilizados en la electricidad,

puede aumentar o disminuir la tensin, puede aislar un circuito de otro.

El transformador se utiliza, la mayora de las veces, para rebajar la tensin de alimentacin a valores

ms bajos y as poder manipular los circuitos sin riesgo para los usuarios.

El devanado primario es que recibe la energa y el devanado secundario es el que cede.

El transformador, al ser una maquina esttica, no tiene perdidas mecnicas y por tanto puede

alcanzar un rendimiento del 98%.

Las nicas perdidas son en el hierro (chapa magntica) y en el cobre (conductores de los

devanados). Estas prdidas producen cadas de tensin que modifican ligeramente la relacin de

transformacin.

Las aplicaciones de los transformadores son innumerables. Se utilizan en cuadros de mando y

control, equipos de soldadura, alumbrado de piscinas, equipos mdicos, ignicin de calderas, en

general en todos aquellos equipos que precisan adaptar las tensiones normalizadas que suministran

las compaas elctricas a las precisadas por los equipos.

Constitucin del transformador

Est constituido por dos circuitos principales:

Circuito elctrico

Devanado primario

Devanado secundario

Circuito magntico

Chapa magntica






Transformador Ideal

La teora del funcionamiento y las aplicaciones del transformador se comprende mejor si se le

considera como un dispositivo ideal. Esta simplificacin nos permite definir los trminos del

transformador y comprender su funcionamiento. Definiremos primero el transformador Ideal como

un dispositivo que tiene las siguientes propiedades:

1. Su coeficiente de acoplamiento (k) es la unidad.

2. Sus devanados primario y secundarios son inductores puros de valor infinitamente grande.

3. Sus impedancias propia y mutua son cero, y no contiene reactancia ni resistencia.

4. Su flujo de fuga e inductancia de fuga son cero.

5. Su eficiencia de transferencia de potencia es de 100 por ciento; esto es, no hay prdidas

debidas a resistencia, histresis o corrientes parasitas.

6. Su relacin de vueltas de transformacin () es igual a la relacin de sus voltajes entre

terminales de primario y secundario, y tambin a la relacin de su corriente secundaria a

primaria.

7. Su permeabilidad del ncleo () es infinita.

En la figura 14-2a se muestra un transformador ideal de ncleo de hierro, al igual que los smbolos

electicos que se usan. Consta de dos bobinas devanadas en la misma direccin sobre un ncleo

magntico comn. La bobina que se conecta con el suministro, V1, se llama el primario. La bobina

que se conecta con la carga, ZL, se llama el secundario. Dado que el transformador ideal tiene una

impedancia cero en el primario y secundario, el voltaje inducido en el primario, E1, es igual a V1, el

voltaje aplicado por la misma razn, el voltaje secundario V2 es igual al voltaje inducido en el

secundario, E2. La corriente I1 que se toma el suministro V1 es apenas la necesaria para producir el

flujo mutuo m y la fuerza magnetomotriz (FMM) necesaria, I1N1, para vencer el efecto

desmagtizante del secundario FMM, I2N2, como resultado de la carga conectada.






Puesto que ambas bobinas estn devanadas en la misma direccin, los valores positivos de la FEM

inducida instantnea, E1 y E2 respectivamente, se identifican con un punto de acuerdo con la

convencin de puntos. De acuerdo con la ley de Lenz, la FEM inducida E1 se opone a V1. Y como

E2 y E1 se producen ambos por el mismo flujo mutuo, m, E2 est en la misma direccin que E1 y

tambin se opone a V1. Estas relaciones se resumen en el diagrama fasorial sin carga que aparece en

la figura14-2b. Como V2= E2, obsrvese que V2 est desplazado a 180 de V1. Esto explica la

inversin de polaridad que se muestra en la figura 14-2a entre

V1 y V2.

Se debe hacer notar en este momento que el transformador prctico o comercial no tiene ninguna de

esas propiedades, a pesar de lo cual su funcionamiento se acerca al ideal.

Tericamente, como E1 = V1, la corriente I1 debe ser tambin cero. Pero estando ZL conectada con el

secundario, toma la corriente I2, y necesita de la corriente I1 correspondiente. Por lo tanto, la

corriente I1, al mismo tiempo que produce el m, sirve como suministro para I2.






Transferencia mxima de potencia por los dispositivos

igualadores de impedancia En la siguiente figura muestra una fuente de poder practica de ca, V cuya impedancia interna, Zs, es

esencialmente resistiva, Rs. El voltaje de terminales de la fuente es V1. Ya que el transformador es

ideal, el voltaje inducido por el primario E1=V1. La impedancia de carga ZL es esencialmente

resistiva, RL, y se acopla a la fuente a travs de un transformador ideal de igualacin. La impedancia

de carga se refleja al primario es Zp, siendo Zp =2ZL=

2RL.

Para la transferencia mxima de potencia en los circuitos de ca, se tienen las siguientes igualdades:

1. La impedancia reflejada al primario debe ser el conjugado de la impedancia de la fuente, esto

es Zp=Zs*. para el caso resistivo que se muestra en la figura anterior.

Y entonces

2. Puesto que Zp=Zs* y Rp=Rs, el voltaje de terminales V1 es de igual magnitud que la cada

interna de voltaje a travs de la impedancia de la fuente, o la mitad del voltaje de la fuente V:






3. Entonces el voltaje de terminales del secundario V2, utilizando la relacin de transformacin

de la ecuacin 14-2, es:

Entonces

4. Y la corriente secundaria I2 y la primaria I1 son, respectivamente,

5. Entonces la potencia que se transfiere a la carga es:

6. La potencia que suministra la fuente o la potencia total del sistema PT es :

7. Y la eficiencia de transferencia de potencia es:






Circuito equivalente del transformador con ncleo de hierro El comportamiento de los transformadores reales difiere del ideal. En la figura 2.13b se presenta el

circuito equivalente para un transformador real donde: Cp y Cs son las capacidades respectivas del

primario y del secundario; Cps es la capacidad entre el primario y del secundario; R1 es la resistencia

del primario y R2 la del secundario; L1 y L2 son las inductancias de dispersin del primario y

secundario respectivamente; Rn es la resistencia de perdidas en el ncleo, y Lca es la inductancia del

primario en circuito abierto. Como alternativa, se puede separar Cps en dos mitades, una en la parte

superior y otra en la parte del transformador.






El valor de las inductancias, capacidades y resistencias depende del tamao del transformador, de

los materiales utilizados en su fabricacin, del tipo de transformador y de sus aplicaciones (potencia,

medida, inversores, fuentes conmutadas, pulsos, banda ancha, etc.). Estos parmetros afectan a la

eficiencia, a la regulacin, al aumento de temperatura y a la respuesta frecuencial del transformador.

Desde el punto de vista de las interferencias por tratarse de una carga inductiva, adems de los

transitorios de conexin y desconexin, los parmetros ms preocupantes son: las resistencias que

determinan el calentamiento y, por lo tanto, la existencia de gradientes de temperatura en las

proximidades, con la repercusin que ello tiene por causa de las derivas trmicas de los

componentes: las inductancias de dispersin que determinan el flujo magntico no abarcado por el

ncleo y, por lo tanto susceptible de interferir con otros circuitos; y sobre todo, la capacidad entre el

primario y secundario que acopla al secundario las tensiones de modo comn existentes en el

primario y viceversa, aparte de acoplar por va no magntica las tensiones de modo normal.

Para evitar el sobrecalentamiento hay que trabajar con materiales de alta permeabilidad y alta

resistividad, y con flujos por debajo de la saturacin. Esto es especialmente importante en el

momento de conexin del transformador, en el que se pueden drenar corrientes muy intensas, que

hay que limitar. Los flujos de presin se reducen mediante ncleos toroidales de hierro o ferrita, y

tambin rodeando el transformador con una cubierta conductora (blindaje) o, al menos, con una

lmina fina de cobre o aluminio. Para reducir el acoplamiento capacitivo entre primario y

secundario, un primer caso es separar los devanados. Se logran as valores inferiores a los 5pF,

frente a las capacidades de 10 a 50 pF en transformadores normales. Cuando se emplean

apantallamientos electrostticos entre devanados se consigue reducir Cps a centsimas de

picofaradio.






Regulacin de voltaje con cargas en factor de potencia .

La relacin de tensiones de los transformadores de tensin constante, o sea la relacin entre la

tensin del primario y la del secundario, depende principalmente de la relacin entre el nmero de

espiras primarias y secundarias. La relacin de tensin variara ligeramente con el valor de factor de

potencia de la carga.

Prcticamente la relacin de tensiones puede tomarse igual a la relacin de espiras de los

arrollamientos.

La relacin de intensidades de corriente en un transformador de tensin constante se

aproximadamente igual a la inversa de la relacin de tensiones. Por ejemplo, para transformar o

reducir la tensin de un sistema de 2.400 voltios a 120 voltios, la relacin de espiras en los

arrollamientos ser de 20:1. Las intensidades de corriente en los arrollamientos primario y

secundario sern, muy aproximadamente, inversamente proporciones a la relacin de las tensiones

en el primario y en el secundario, ya que, despreciando las pequeas perdidas de transformacin, la

potencia absorbida en un transformador ser igual a potencia suministrada por el mismo. Por

ejemplo. Considerando un transformador con arrollamientos que estn en la relacin 20:1, si el

arrollamiento secundario da 100 amperios a 50 voltios, la entrada del arrollamiento primario debe

recibir casi exactamente 5 amperios a 1.000 voltios. La entrada y salida son (prcticamente) iguales

entre s, valiendo cada una 5.00 vatios.

La regulacin de un transformador es el cambio de tensin secundaria desde vacio a plena carga.

Realmente se expresa en porcentaje de la tensin secundaria a plena carga.

La regulacin depende del proyecto del transformador y del factor de potencia de la carga. Aunque

con cargas no inductivas tales como lmparas de incandescencia la regulacin de los

transformadores es inferior al 3% aproximadamente, con una carga inductiva la diferencia de tensin

entre vacio y plena carga aumenta posiblemente hasta un 5%. Si la carga de los motores es elevada y

fluctuante, y resulta importante la regulacin precisa de las lmparas, es aconsejable usar

transformadores separados para los motores.






Eficiencia de un transformador con carga a factor de potencia

Las prdidas que ocurren en un transformador con carga pueden ser divididas en dos grupos:

a) Las prdidas (I2R) de los devanados primario y secundario, estn dadas como:

Y

b) Las prdidas del ncleo debido a la histresis y a las corrientes de Eddy.

Puesto que el valor mximo de la densidad de flujo de un transformador normal no vara ms del 2%

estando en vacio o estando a plena carga, es usual suponer las prdidas del ncleo constantes a plena

carga. Este valor de prdidas se obtiene de la prueba de vaco.

As que: Pn= Perdidas totales del ncleo, luego entonces, las prdidas totales en el transformador

=Pn+I12R1 + I2

2R2, y su eficiencia queda definida como:






Autotransformadores

Son maquinas cuyos bobinados primarios y secundarios estn unidos fsicamente, lo que no ocurre

en los transformadores. Suelen utilizarse en todos los casos en que hay poca diferencia entre la

presin primaria y la secundaria. Tambin pueden ser elevadores o reductores como los

transformadores.

Las ventajas que ofrece el autotransformador respecto al transformador son las siguientes:

Ahorro en materiales al construirlo y, como consecuencia, menos perdidas por efecto

JOULE, menos peso, mas econmico, etc..

Pueden ser utilizados como reguladores de tensin alterna de una forma continua, econmica

y precisa. Para ello, sern generalmente toroidales y de cursor, como puede observarse en la

figura anterior.

El inconveniente frente a los transformadores es su falta de aislamiento entre primario y secundario,

lo que hace que no puedan ser utilizados como separadores entre la red de distribucion y el usuario

de los circuitos.






Conexin de transformadores monofsicos en arreglo a trifsico

El devanado de bajo voltaje de los transformadores monofsicos que suministran potencia a los

hogares se dispone normalmente en dos secciones. En la figura 6(A) se muestra el diagrama

esquemtico de un transformador monofsico con los conductores de secundario, dispuestos para

servicio de 230V. Las dos secciones estn conectadas en serie y los voltajes inducidos en cada

seccin se suman. En la figura 6(B) estn conectados en paralelo los devanados del secundario. Esta

conexin se utiliza para suministrar una carga intensa que requiera servicio de 115V.

Una prctica comn emplear el tipo de circuito de tres cables con un tercer conductor conectado al

punto de unin de la conexin en serie de la figura 6(A).

En la figura 7 se muestra el montaje con el tercer cable o neutro, conectado a la tierra. La conexin a

tierra es una medida de seguridad pues el voltaje al que se expone el manipulador si accidentalmente

toca un cable exterior es solo de 115V si no estuviera conectado a tierra.






Conexin de transformadores monofsicos en arreglos de

autotransformadores trifsicos. Los trasformadores monofsicos convencionales pueden conectarse como autotransformador

monofsico, sin embargo stos tienen aplicaciones muy limitadas, siendo una de ellas la relacin de

tensin que no debe ser mayor que 1:1, debido a los riesgos que implicaran las elevadas tensiones

en caso de alguna avera o falla. Sin embargo, es posible realizar algunas conexiones trifsicas con

autotransformadores utilizando trasformadores monofsico convencionales.

Conexin Estrella-Estrella

Esta conexin se emplea en tensiones muy elevadas, ya que se disminuye la cantidad de aislamiento.

Tiene la desventaja de no presentar oposicin a las armonicas impares; en cambio puede conectarse

a hilos de retorno.

Conexin Estrella-Delta

Se utiliza esta conexin en los sistemas de transmisin de las subestaciones receptoras cuya funcin

es reducir voltajes. En sistemas de distribucion es poco usual; se emplea en algunas ocasiones para

distribucion rural a 20kV.

Conexin Delta Abierta-Delta Abierta

Esta puede considerarse como una conexin de emergencia en transformadores trifsicos, ya que si

en un transformador quema o sufre una avera cualquiera de sus fases, se puede seguir alimentando

carga trifsica operando el transformador a dos fases solo que su capacidad disminuye a un 58.8%

aproximadamente.






Conclusin

Al concluir este trabajo se obtuvo una visin un poco ms amplia de los transformadores como sus

usos, conexiones, eficiencias como regular voltajes, calcular eficiencias entre otras cosas ms.






Bibliografa

Transformadores y motores de induccin

4 Edicin

Limusa Noriega Editores

Maquinas Elctricas y sistemas de Potencia

Sexta Edicin

PEARSON EDUCACION

Pag.191.

Maquinas Elctricas y Transformadores

Segunda Edicin

Irving L. Kosow Ph. D.

Pag.545, 548, 556.

Manual Del Montador Electricista

Tercera Edicion

T. Croft, C.C. Carr, J. H. Watt

REVERTE Editorial

Pag.22, 23.

Transformadores de distribucion (teora, clculo, construccin y pruebas)

Segunda Edicin

Pedro Avelino Prez

REVERTE Editorial

Pag.41.

Maquinas Elctricas

Primera Edicin

Juan Jos Manzano Orrego

Paraninfo Editorial

Pag.57






Fundamentos de Electricidad (principios de electricidad, electrnica, control y ordenadores)

Primera Edicion

R. G. SEIPPEL

REVERTE Editorial

Pag.116

Fundamentos de Instalaciones Elctricas de mediana y alta tensin

Segunda Edicion

Gilberto Enrquez Harper

Limusa Noriega Editores

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