TRANSFORMADORES ELECTRICOS

Se denomina transformador a un dispositivo electrico que permite aumentar o disminuir la tension en un circuitoelectrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de untransformador ideal (esto es, sin perdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las maquinas reales presentan unpequeno porcentaje de perdidas, dependiendo de su diseno, tamano, etc.El transformador es un dispositivo que convierte la energia electrica alterna de un cierto nivel de tension, enenergia alterna de otro nivel de tension, por medio de interaccion electromagnetica. Esta constituido por dos o masbobinas de material conductor, aisladas entre si electricamente y por lo general enrolladas alrededor de un mismonucleo de material ferromagnetico. La unica conexion entre las bobinas la constituye el flujo magnetico comun quese establece en el nucleo .

Este es un ejemplo de un transformador:

Tipos de transformadores

Transformador elevador/reductor de tension:

Un transformador con PCB, como refrigerante en plena

calle.Son empleados por empresas transportadoras electricas en lassubestaciones de la red de transporte de energia electrica, con elfin de disminuir las perdidas por efecto Joule. Debido a laresistencia de los conductores, conviene transportar la energiaelectrica a tensiones elevadas, lo que origina la necesidad dereducir nuevamente dichas tensiones para adaptarlas a las deutilizacion.

Transformador elevador/reductor de tension:

Transformadores elevadores:

Este tipo de transformadores nos permiten, como su nombre lodice elevar la tension de salida con respecto a la tension deentrada. Esto quiere decir que la relacion de transformacion deestos transformadores es menor a uno.Si por ejemplo se suministra un voltage de 120 voltios en el primario, Y sale un voltage de 240 voltios en el secundario entonces se trata de un transformador elevador.

Ejemplos de tansformador elevador :

Transformadores variables:

Tambien llamados "Variacs", toman una linea de tension fija (en la entrada) y proveen de tension de salida variable ajustable, dentro de dos valores. Esto es cuando se suministra un voltage fijo de entrada y en la salida existen varios valores de voltage o varios voltajes de salida. Ejemplo de un transformador variable:

Transformador de aislamiento:

Proporciona aislamiento galvanico entre el primario y el secundario, de manera que consigue una alimentacion o senal "flotante". Suele

tener una relacion 1:1. Se utiliza principalmente como medida de proteccion, en equipos quetrabajan directamente con la tension de red. Tambien para acoplar senales procedentes de sensores lejanos, en resistencias inesianas, en equipos de electromedicina y alli donde se necesitan tensiones flotantes entre si.

Ejemplo de un transformador de aislamiento:

Transformador de alimentación:

Pueden tener una o varias bobinas secundarias y proporcionan las tensiones necesarias para el funcionamiento delequipo. A veces incorpora un fusible que corta su circuito primario cuando el transformador alcanza una temperaturaexcesiva, evitando que este se queme, con la emision de humos y gases que conlleva el riesgo de incendio. Estosfusibles no suelen ser reemplazables, de modo que hay que sustituir todo el transformador. Ejemplo de un transformador de alimentación:

Transformador trifasico:

Tienen tres bobinados en su primario y tres en su secundario.Pueden adoptar forma de estrella (Y) (con hilo de neutro o no) odelta -triangulo- (Δ) y las combinaciones entre ellas: Δ-Δ, Δ-Y,Y-Δ y Y-Y. Hay que tener en cuenta que aun con relaciones 1:1,al pasar de Δ a Y o viceversa, las tensiones de fase varian.Transformador 6Transformador Flyback moderno.Transformador diferencial de variacion lineal (LVDT).

Ejemplo de un transformador trifasico:

Transformador de pulsos:

Es un tipo especial de transformador con respuesta muy rapida(baja autoinduccion) destinado a funcionar en regimen de pulsos yademas de muy versatil utilidad en cuanto al control de tension220 V.

Ejemplo de un transformador de pulsos:

Transformador de linea o Flyback:

Es un caso particular de transformador de pulsos. Se emplea en lostelevisores con TRC (CRT) para generar la alta tension y lacorriente para las bobinas de deflexion horizontal. Suelen serpequenos y economicos. Ademas suele proporcionar otrastensiones para el tubo (foco, filamento, etc.). Ademas de poseeruna respuesta en frecuencia mas alta que muchos transformadores,tiene la caracteristica de mantener diferentes niveles de potenciade salida debido a sus diferentes arreglos entre sus bobinadossecundarios.

Ejemplo de un transformador de linea o Flyback:

Transformador diferencial de variacion lineal:

El transformador diferencial de variacion lineal (LVDT segunsus siglas en ingles) es un tipo de transformador electrico utilizadopara medir desplazamientos lineales. El transformador posee tresbobinas dispuestas extremo con extremo alrededor de un tubo. Labobina central es el devanado primario y las externas son lossecundarios. Un centro ferromagnetico de forma cilindrica, sujetoal objeto cuya posicion desea ser medida, se desliza con respectoal eje del tubo.Los LVDT son usados para la realimentacion de posicion en

servomecanismos y para la medicion automatica en herramientas ymuchos otros usos industriales y cientificos.

Ejemplo de un transformador diferencial de variacion lineal:

Transformador con diodo dividido:

Es un tipo de transformador de linea que incorpora el diodorectificador para proporcionar la tension continua de MATdirectamente al tubo. Se llama diodo dividido porque esta formadopor varios diodos mas pequenos repartidos por el bobinado y conectados en serie, de modo que cada diodo solo tieneque soportar una tension inversa relativamente baja. La salida del transformador va directamente al anodo del tubo,sin diodo ni triplicador.

Ejemplo de un transformador con diodo dividido:

Transformador de impedancia:

Este tipo de transformador se emplea para adaptar antenas y lineas de transmision (tarjetas de red, telefonos, etc.) yera imprescindible en los amplificadores de valvulas para adaptar la alta impedancia de los tubos a la baja de losaltavoces.Si se coloca en el secundario una impedancia de valor Z, y llamamos n a Ns/Np, como Is=-Ip/n y Es=Ep.n, laimpedancia vista desde el primario sera Ep/Ip = -Es/n2Is = Z/n2. Asi, hemos conseguido transformar una impedancia de valor Z en otra de Z/n2. Colocando el transformador al reves, lo que hacemos es elevar la impedanciaen un factor n2.

Ejemplo de un transformador de impedancia:

Estabilizador de tension:

Es un tipo especial de transformador en el que el nucleo se satura cuando la tension en el primario excede su valornominal. Entonces, las variaciones de tension en el secundario quedan limitadas. Tenia una labor de proteccion delos equipos frente a fluctuaciones de la red. Este tipo de transformador ha caido en desuso con el desarrollo de losreguladores de tension electronicos, debido a su volumen, peso, precio y baja eficiencia energetica.

Ejemplo de un Estabilizador de tension:

Transformador hibrido o bobina hibrida:

Es un transformador que funciona como una hibrida. De aplicacion en los telefonos, tarjetas de red, etc.

Ejemplo de un transformador hibrido o bobina hibrida:

Balun:

Es muy utilizado como balun para transformar lineas equilibradas en no equilibradas y viceversa. La linea seequilibra conectando a masa la toma intermedia del secundario del transformador.

Ejemplo de un balun:

Transformador electronico:

Esta compuesto por un circuito electronico que eleva la frecuencia de la corriente electrica que alimenta altransformador, de esta manera es posible reducir drasticamente su tamano. Tambien pueden formar parte de circuitosmas complejos que mantienen la tension de salida en un valor prefijado sin importar la variacion en la entrada,llamados fuente conmutada.

Ejemplo de un transformador electronico:

Transformador de frecuencia variable:

Son pequenos transformadores de nucleo de hierro, que funcionan en la banda de audiofrecuencias. Se utilizan amenudo como dispositivos de acoplamiento en circuitos electronicos para comunicaciones, medidas y control.

Ejemplo de un transformador de frecuencia variable:

Transformadores de medida:

Entre los transformadores con fines especiales, los mas importantes son los transformadores de medida para instalarinstrumentos, contadores y reles protectores en circuitos de alta tension o de elevada corriente. Los transformadoresde medida aislan los circuitos de medida o de reles, permitiendo una mayor normalizacion en la construccion decontadores, instrumentos y reles.

Ejemplo de un transformador de medida:

Segun su construccion:

Autotransformador:

El primario y el secundario del transformador estan conectados enserie, constituyendo un bobinado unico. Pesa menos y es mas baratoque un transformador y por ello se emplea habitualmente paraconvertir 220 V a 125 V y viceversa y en otras aplicaciones similares.Tiene el inconveniente de no proporcionar aislamiento galvanico entre

el primario y el secundario.Transformador 8Como caracterizar un nucleo toroidal.Transformador de grano orientado.

Ejemplo de un autotransformador:

Transformador con nucleo toroidal:

El nucleo consiste en un anillo, normalmente de compuestosartificiales de ferrita, sobre el que se bobinan el primario y elsecundario. Son mas voluminosos, pero el flujo magnetico quedaconfinado en el nucleo, teniendo flujos de dispersion muy reducidos ybajas perdidas por corrientes de Foucault.

Ejemplo de un transformador toroidal:

Transformador de grano orientado:

El nucleo esta formado por una chapa de hierro de grano orientado,enrollada sobre si misma, siempre en el mismo sentido, en lugar de laslaminas de hierro dulce separadas habituales. Presenta perdidas muyreducidas pero es caro. La chapa de hierro de grano orientado puedeser tambien utilizada en transformadores orientados (chapa en E),reduciendo sus perdidas.

Ejemplo de un transformador orientado:

Transformador de nucleo de aire:

En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre uncarrete sin nucleo o con un pequeno cilindro de ferrita que se introducemas o menos en el carrete, para ajustar su inductancia.

Ejemplo de un transformador de nucleo de aire:

Transformador de nucleo envolvente:

Estan provistos de nucleos de ferrita divididos en dos mitades que,como una concha, envuelven los bobinados. Evitan los flujos de dispersion.

Ejemplo de un transformador envolvente:

Transformador piezoelectrico:

Para ciertas aplicaciones han aparecido en el mercado transformadores que no estan basados en el flujo magneticopara transportar la energia entre el primario y el secundario, sino que se emplean vibraciones mecanicas en un cristalpiezoelectrico. Tienen la ventaja de ser muy planos y funcionar bien a frecuencias elevadas. Se usan en algunosconvertidores de tension para alimentar los fluorescentes del backlight de ordenadores portatiles.

Ejemplo de un transformador piezoelectrico:

CONEXIONES DE LOS TRANSFORMADORES

PRINCIPALES CONEXIONES DE LOS

TRANSFORMADORES

Dependiendo del propósito de la instalación, un

transformador se puede conectar de distintas formas. En el

caso de los transformadores monofásicos, hay distintas

formas de conectarlos a la fuente de alimentación y a la

carga. Dos o más transformadores se pueden conectar en

distintas formas para cumplir con distintos requerimientos.

EL CONCEPTO DE POLARIDAD

         

A diferencia de la corriente directa, no hay polaridad positiva

o negativa fija en la corriente alterna, de aquí que los

transformadores no pueden tener polaridad fija en sus

terminales.

          La dirección relativa en la cual los devanados primarios

y secundario de un transformador. Se devanan alrededor del

núcleo, determina la dirección relativa del voltaje a través de

los devanados. Por ejemplo, si en la figura siguiente, se

supone que el voltaje aplicado en cualquier instante tiene

dirección de A a B, al dirección del voltaje en el secundario

será de C a De ó de D a C, dependiendo de la dirección

relativa de los devanados.

POLARIDAD DE UN TRANSFORMADOR MONOFASICO

a)        Polaridad aditiva.

b)       Polaridad sustractiva.

Dado que es importante, cuando dos o más

transformadores se conectan juntos, conocer la dirección

relativa del voltaje de cada transformador, se han establecido

ciertas convenciones para designar la llamada POLARIDAD de

un transformador. Esta designación de polaridad se puede

obtener de la figura anterior.

Si una de las terminales del devanado de lato voltaje se

conecta al lado adyacente opuesto del devanado de bajo

voltaje (por ejemplo de A a C), el voltaje en las terminales

restantes (B y D) es, o la suma o la diferencia de los voltajes

primario y secundario, dependiendo de las direcciones

relativas de los devanados. Si el voltaje de B a De es la suma,

se dice que el transformador tiene polaridad ADITIVA  y si es

la diferencia, entonces se dice que tiene polaridad

SUSTRACTIVA.

          Si los devanados de los lados de alto y bajo voltaje

están en direcciones opuestas, los voltajes aplicado e

inducido tendrán direcciones opuestas y se dice que el

transformador tiene “polaridad sustractiva”. Las terminales

H1 y X1 estarán del lado izquierdo cuando se “ve” al

transformador del lado de bajo voltaje hacia el lado de alto

voltaje.

Si los devanados de los lados de alto y bajo voltaje están en la

misma dirección, los voltajes aplicado e inducido tendrán la

misma dirección y se dice entonces que el transformador

tiene “polaridad aditiva”, la terminal X1 se encontrará del

lado derecho cuando se “ve” al transformador del lado de

bajo voltaje hacia el lado de alto voltaje.

          Cuando se desea conectar en paralelo los secundarios

de dos (o más) transformadores, se conectan en forma

similar, las terminales que tiene la misma marca de polaridad.

LA PRUEBA DE POLARIDAD

         

Cuando en un transformador no está especificada la

polaridad o se desconoce, se puede determinar por una

simple medición de voltaje como se indica a continuación:

1.          Hacer una conexión entre las terminales de alto voltaje y

bajo voltaje del lado derecho cuando se ve al transformador

desde el lado de las boquillas y de bajo voltaje.

2.          Aplicar un voltaje bajo, por ejemplo 120 volts a las

terminales de alto voltaje y medir este voltaje con un

vóltimetro.

3.          Medir el voltaje de la terminal del lado izquierdo del lado

de alto voltaje al terminal del lado Iz quiero de bajo voltaje.

Si el voltaje anterior es menor que el voltaje a través de

las terminales de alto voltaje, el transformador tiene

polaridad sustractiva. Si este voltaje es mayor, entonces la

polaridad es aditiva.

Conexión de los transformadores monofásicos.

          La conexión más simple de las conexiones de los

transformadores es la conexión monofásica.

          Un método sencillo de llevar las terminales de los

devanados primarios y secundario a las boquillas que llevan al

exterior del tanque del transformador dos indicó en la figura

anterior. Para proporcionar flexibilidad en las conexiones, las

bobinas de los devanados primario y secundario, se arreglan

en dos secciones, cada sección de una bobina tiene el mismo

número de espiras, por lo tanto, genera el mismo voltaje. Las

dos primeras secciones se conectan por lo general juntas,

dentro del tanque y únicamente dos son llevadas al exterior

del tanque a través de las boquillas, las cuales las aislan de la

tapa.

          Se pueden sacar cuatro conductores secundarios de

cada bobina del secundario, con los dos conductores o

terminales transpuestos del interior, antes de ser llevado al

exterior. En transformadores nuevos del tipo distribución. Es

práctica común estas dos terminales transpuestas, se

conecta  dentro del tanque uy sólo un conductor común se

lleva al exterior.

          La boquilla secundaria centro se le denomina por lo

general “Boquilla del nuestro” y en muchos casos es una

tuerca que conecta también a la pared del tanque

proporcionando un medio de conexión a tierra al tanque del

transformador.

SISTEMAS POLIFASICOS

         

Como se sabe, en corriente alterna hay dos tipos de circuitos:

los denominados circuitos monofásicos y los circuitos

polifásicos (los más comunes son los trifásicos). En los

circuitos monofásicos sólo una fase o conjunto de voltajes de

onda de forma senoidal se aplican a los circuitos y

únicamente en una fase circula corriente senoidal.

          En un sistema polifásico se aplican dos o más voltajes

senoidales a las diferentes partes del circuito y circulan en las

mismas artes las correspondientes corrientes senoidales.

          Cada parte del sistema polifásico se conoce como

“fase” y prácticamente se denominan FASE A, FASE B y Fase

C y en la misma forma se designan los voltajes indicando

“voltajes de la fase A”, “voltaje de la fase B”, etc., y las

corrientes, corriente de la fase A, corriente de la fase B, etc.

          Los voltajes aplicados a un sistema polifásico se

obtienen de una fuente de suministro plolifásica, también, de

manera que cada fase está siempre separada, por ejemplo, en

un sistema trifásico se tienen tres fases separadas. Los

métodos más comunes de conectar los devanados de una

máquina eléctrica trifásica son en delta y en estrella, como se

muestra a continuación:

a)        Conexión delta.

b)       Conexión estrella.

c)        Vectores de voltaje.

Se puede observar que en tanto los voltajes en las

terminales A, B y C, son los mismos para las conexiones delta

y estrella.

          Los voltajes a través de los devanados 1, 2 y 3 en

los dos sistemas, no sólo son de diferente magnitud, también

se observa que sus direcciones no coinciden. Este hecho es

importante en la conexión de transformadores, ya que puede

provocar dificultades en al conexión de transformadores

cuando no se tiene cuidado en esto.

CONEXION TRIFASICA DE TRANSFORMADORES

         

La transformación trifásica se puede realizar por medio de

tres transformadores monofásicos en conexión trifásica o por

medio de transformadores trifásicos. Los métodos de

conexión de los devanados par a la conexión trifásica son los

mismos, ya sea que se usen tres devanados en un

transformador trifásico, o bien tres transformadores

monofásicos por separado, en conexión tifásica. Las

conexiones trifásicas más comunes son las denominadas

DELTA y ESTRELLA.

Conexión DELTA-DELTA.

        

  Esta conexión se usa con frecuencia para alimentar cargas

de alumbrado pequeñas y cargas trifásica simultáneamente.

Para esto se puede localizar una derivación o Tap en el punto

medio del devanado secundario de uno de los

transformadores conectándose a tierra y se conecta también

al neutro del secundario. De esta manera, las cargas

monorfásicas se conectan entre los conductores de fase y

neutro, por lo tanto, el transformador con al derivación en el

punto medio toma dos terceras partes de la carga monofásica

y una tercera parte de la carga trifásica. Los otros dos

transformadores cada uno toma un tercio de las cargas

monofásicas y trifásica.

          Para poder cargar al banco trifásico en forma

balanceada, se deben cumplir con las siguientes condiciones:

1.             todo los transformadores deben tener idéntica relación de

transformación.

2.             Todos los transformadores deben tener el mismo valor de

impedancia.

3.             Todos los transformadores deben conectar en el mismo

tap o derivación.

CONEXION ABIERTA-DELTA ABIERTA

       

   La conexión delta-delta representa en cierto modo la mas

flexible de las conexiones trifásicas. Una de las ventajas de

esta conexión, es que si uno de los transformadores se daña o

se retira de servicio, los otros dos pueden continuar operando

en la llamada conexión “delta-abierta” o “V”. Con esta

conexión se suministra aproximadamente el 58% de la

potencia que entrega un banco en conexión delta-delta.

          En la conexión delta abierta, las impedancias de los

transformadores no necesitan ser iguales necesariamente,

aunque esta situación es preferible cuando es necesario

cerrar la delta con un tercer transformador.

          La conexión delta abierta, se usa normalmente para

condiciones de emergencia, cuando en una conexión delta-

delta uno de los transformadores del banco se desconecta por

alguna razón. En forma similar a la conexión delta-delta, del

punto medio del secundario de uno de los transformadores se

puede tomar una derivación para alimentar pequeñas cargas

de alumbrado o bien otros tipos de cargas.

CONEXION ESTRELLA DELTA

        

  Esta conexión se usa con frecuencia para alimentar cargas

trifásicas grandes de un sistema trifásico de alimentación

conectado en estrella. Tiene la limitante de que para

alimentar cargas monofásicas y trifásicas en forma

simultánea, no dispone del neutro.

          Por otra parte, tiene la ventaja relativa de que la

impedancia de los tres transformadores no necesita ser la

misma en esta conexión.

          Las relaciones entre corrientes y voltajes de fase de

línea a línea para la conexión estrella delta, son las mimas

que se tienen en la conexión delta-estrella estudiada en el

párrafo anterior.

Conexión estrella-estrella.

          Esta conexión se usa cuando se requiere alimentar

grandes cargas monofásicas en forma simultánea, con cargas

trifácicas. También se usa sólo si el neutro del primario se

puede conectar sólidamente al neutro de la fuente de

alimentación ya sea con un neutro común o a través de tierra.

Cuando los neutros de ambos lados del banco de

transformadores no se unen, el voltaje de línea a neutro

tiende a distorsionarse (no es senoidal). La conexión estrella-

estrella, se puede usar también sin unir los neutros, a

condición de que cada transformador tenga un tercer

devanado que se conoce como “devanado terciario”. Este

devanado terciario está siempre conectado en delta.

          Con frecuencia, el devanado terciario se usa para

alimentar los servicios de la Subestación.

TRANSFORMADORES DE UNA SOLA BOQUILLA

        

  En la conexión estrella-estrella, los transformadores que

tienen sólo la boquilla de tal tensión o primaria, esta boquilla

se conecta a la línea de alimentación. La conexión especial en

al parte externa del tanque del transformador, toma el lugar

de la segunda boquilla de alta tensión y se debe conectar

entre los tres transformadores y al hilo de neutro o tierra.

          Los transformadores de distribución tienen una

conexión instalada entre la boquilla de bajo voltaje del neutro

y el tanque.

TRANSFORMADORES TRIFASICOS

         

En términos generales, un banco formado por tres

transformadores monofásicos, se puede reemplazar por un

transformador trifásico. Estos transformadores trifásicos,

como se ha descrito en capítulos anteriores, tienen un núcleo

magnético con tres piernas, en donde se alojan los devanados

primario y secundario de cada una de las fases. Los

devanados se conectan internamente, en forma similar a los

bancos de transformadores monofásicos, en cualquiera de las

conexiones trifásicas, en cualquiera de las conexiones

trifásicas, es decir, estrella-delta, delta abierta, etc.

          Para una capacidad dada, un transformador trifásico es

siempre de menor tamaño y más barato que un banco

formado por tres transformadores monofásicos con la misma

capacidad. En alunas ocasiones, aun con lo mencionado antes,

se prefiere el uso de bancos de transformadores monofásicos,

especialmente cuando por mantenimiento y confiabilidad

resulta importante la facilidad para reemplazar a una de las

unidades.

CONEXION DE TRANSFORMADORES EN PARALELO

        

  Los transformadores se pueden conectar en paralelo por

distintas razones, las principales están relacionadas con

problemas de confiabilidad y de incremento en la demanda.

Cuando se excede o se está a punto de exceder la capacidad

de un transformador ya en operación.

          Para conectar los transformadores en paralelo y

garantizar su correcta operación, se deben cumplir ciertas

condiciones como son:

a)              Deben tener los mismos voltajes primarios y secundarios.

b)              Deben tener los mismo valor de impedancia expresado en

porciento