Transformadores de Instrumento

TRANFORMADORES DE INSTRUMENTO

1. INTRODUCCION AL TRANSFORMADOR

El transformador es un dispositivo que convierte energía eléctrica de un cierto nivel de voltaje, en energía eléctrica de otro nivel de voltaje, por medio de la acción de un campo magnético. Está constituido por dos o más bobinas de alambre, aisladas entre sí eléctricamente y arrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. El arrollamiento o bobina que recibe la energía eléctrica se denomina primario. El arrollamiento o bobina que entrega la energía a la carga a la tensión transformada se denomina secundario.

Si el voltaje secundario es superior al voltaje primario, el transformador funciona como elevador. Por el contrario, si el voltaje secundario es inferior al voltaje primario, el transformador funciona como reductor. Por su principio de funcionamiento, un mismo transformador puede conectarse como elevador o reductor.

Observe la figura siguiente. La bobina primaria se conecta a una tensión alterna que hará circular por ella una corriente alterna. Esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro. Como el bobinado secundario está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético pasará a través de sus espiras. Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del secundario se generará en la bobina secundaria una tensión. Si el circuito secundario está conectado a una carga se genera una corriente.

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Los voltajes primario y secundario están relacionados entre sí por la fórmula siguiente:

(1)

Donde Np y NS son el número de espiras de las bobinas primaria y secundaria, respectivamente, y VP y VS son los valores eficaces de los voltajes primario y secundario, también respectivamente. A la relación anterior se le conoce también como relación de transformación, y se acostumbra simbolizarla con la letra griega alfa α.

(2)

Un transformador en vacío, es decir, sin carga secundaria, retira de la red una corriente de bajo valor con la finalidad de producir el flujo magnético en el núcleo. Esta corriente es conocida como corriente de excitación. En el momento de conectar una carga en el secundario, se produce una corriente secundaria que por la Ley de Lenz contrarresta la acción del flujo magnético original. Para mantener la misma cantidad de flujo en el núcleo, el primario demandará entonces una corriente adicional de valor proporcional a la corriente secundaria. La suma de esta corriente adicional y la de excitación es la corriente total que el transformador absorberá de la red. Para efectos prácticos la corriente de excitación es despreciada, por lo que se considera que el valor de la corriente primaria es proporcional al valor de la corriente secundaria de acuerdo con la siguiente relación:

(3)

Combinando las ecuaciones (2) y (3) se obtiene:

(4)

Recordando que :

(5)

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La ecuación anterior caracteriza al transformador como un dispositivo que transfiere potencia de un circuito primario a un circuito secundario. Esta afirmación es cierta solo para el transformador ideal. En los transformadores reales se pierde potencia en el cobre y en el núcleo. por lo que la potencia primaria es igual a la potencia perdida mas la potencia secundaria. Para nuestro estudio se puede despreciar la potencia perdida sin error apreciable..

Si la potencia que un transformador transfiere entre dos circuitos es constante, se deduce entonces que cualquier incremento en el voltaje se acompaña de una disminución de la corriente en la misma proporción y viceversa.

Ejemplo:A un transformador monofásico se le conecta una carga secundaria generando

una corriente de 30 amperes. Si el voltaje secundario es de 120 volts, que potencia demandará el transformador del circuito primario suponiendo que la potencia perdida es nula. Si Nprimaria=300 vueltas y Nsecundaria=1200 vueltas, calcular el voltaje y la corriente primarios.

2. TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTO

Se usa esta denominación para designar a ciertos transformadores de diseño especial que se utilizan en aplicaciones de medición y protección. Existen dos tipos de transformadores de instrumento: de corriente y de potencial. Sus funciones principales son las siguientes:

a. Reducir proporcionalmente y con alta precisión la magnitud de la corriente o el voltaje del circuito primario a valores más seguros y estandarizados, por lo general a 5 amperes o 1 ampere en corriente, y a 120 volts o 115 volts en voltaje.

b. Aislar los equipos secundarios (equipos de medición y/o protección), de los voltajes primarios que por su elevado valor son peligrosos.

c. Hacer menos costosa la fabricación y proporcionar más confiabilidad a equipos de protección y medición.

3. TRANSFORMADOR DE CORRIENTE

Mejor conocido como TC, transforma la corriente del circuito primario a un valor estándar más pequeño y seguro en el secundario. Se utiliza para medir o monitorear la

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corriente en una línea y para aislar del voltaje primario los equipos conectados a su secundario.

Para un TC se define la relación de transformación de corriente RTC con la siguiente expresión:

Como en el caso de un transformador convencional, la relación de corrientes (RTC) es inversamente proporcional a la cantidad de vueltas en los devanados primario y secundario. Así por ejemplo, un TC de relación 400 A / 5 A tiene una RTC = 80; por lo tanto tiene 80 veces más vueltas en el secundario que en el primario.

Como los TC’s se utilizan solo para medición y protección de sistemas, su capacidad de potencia es pequeña –en general, entre 15 VA y 200 VA.

Los TC’s se conectan en serie con la corriente que se desea medir, tal como se muestra en la siguiente figura:

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El aislamiento entre los devanados de alta y baja tensión de un TC debe soportar el voltaje completo de línea a neutro del circuito primario. El voltaje máximo que soporta viene en la placa de datos del transformador.

En las fotografías siguientes se muestran diferentes tipos de TC’s:

TC tipo dona para servicio interior en BT TC tipo barra para servicio interior en MT

TC tipo exterior para MT

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TC tipo exterior para AT

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Dada la diversidad de aplicaciones, se tienen diferentes tipos de arreglos de terminales. En la tabla siguiente se muestran las más comunes:

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Precauciones

Se debe tener cuidado de nunca abrir el circuito secundario de un transformador de corriente mientras fluye corriente en el circuito primario. Si se abre por accidente el secundario, la corriente primaria IP continúa fluyendo sin cambios porque su valor solo depende de las características del circuito que alimenta. Por lo tanto la corriente de carga se convierte en la corriente de excitación, al no existir la corriente secundaria ni su flujo magnético que se oponga al flujo producido por la corriente primaria.

Refiriéndonos a la figura anterior, a medida que la corriente de línea o primaria se incrementa, también lo hace el flujo magnético, pero el valor de esta corriente llega a ser tan grande en comparación con la de excitación -de 100 a 200 veces mayor- que se

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satura el núcleo, ocasionando que el flujo ya no se incremente y adquiera un valor casi constante la mayor parte del medio ciclo. Durante el intervalo de saturación, al haber poco cambio del flujo el voltaje secundario inducido es casi cero (recordar la Ley de Faraday ). Sin embargo, durante los periodos sin saturación, el flujo cambia a una tasa extremadamente alta e induce picos de voltaje de varios cientos de volts a través del secundario en circuito abierto. Esta es una situación peligrosa porque los altos voltajes presentes pueden provocar una descarga o choque eléctrico con riesgo para el operador y el propio equipo.

Nunca se debe abrir el circuito secundario de un transformador de corriente con carga en el primario

Si se tiene que desconectar un medidor o relevador del circuito secundario de un TC, primero se debe cortocircuitar el devanado secundario y después retirar el componente. Poner en cortocircuito el secundario de un TC no causa daños porque la corriente primaria depende de la carga y la corriente secundaria está determinada por la relación de vueltas del TC.

4. TRANSFORMADOR DE POTENCIAL

Conocido como TP, transforma el voltaje del circuito primario a un valor estándar más pequeño y seguro en el secundario. Se utiliza para medir o monitorear voltajes en una línea y para aislar del voltaje primario los equipos conectados a su secundario.

Para un TP se define la relación de transformación de voltaje RTP con la siguiente expresión:

La construcción de transformadores de voltaje es similar a la de los transformadores convencionales. Sin embargo, el aislamiento entre los devanados primario y secundario debe ser particularmente alto para soportar el voltaje de línea completo en el lado de AT.

Aún cuando el secundario parece estar aislado del primario, la capacitancia distribuida entre los dos devanados establece una conexión invisible, la cual puede producir un voltaje muy alto entre el devanado secundario y la tierra. Es por eso que para limitar el voltaje secundario a su valor nominal, se debe aterrizar una de las terminales secundarias.

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Por lo general, la capacidad nominal de los TP’s es de menos de 500 VA, por lo que a menudo el volumen de aislante es mucho mayor que el volumen de cobre o acero.

Los TP’s instalados en líneas de AT siempre miden el voltaje de línea a neutro. Esto elimina la necesidad de utilizar dos boquillas de alto voltaje porque un lado del primario se conecta a tierra.

En las figuras siguientes se muestra como es la conexión de un transformador de potencial con respecto a la línea, así como fotografías de diferentes tipos de TP’s:

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Servicio interior para media tensión

Servicio exterior para media tensión

Servicio exterior para media tensión

Servicio exterior para alta tensión

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Dada la diversidad de aplicaciones, se tienen diferentes tipos de arreglos de terminales. En la tabla siguiente se muestran las más comunes:

5. CONSIDERACIONES SOBRE TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTO

En la figura siguiente se muestra una conexión típica de transformadores de instrumento con los TP’s conectados en delta abierta:

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En la figura anterior se muestran fusibles en el lado primario de los TP’s, aunque por cuestiones de funcionalidad y economía preferentemente se instalan en el lado secundario. En los casos de medición para facturación se omiten, para preservar la integridad de las conexiones y evitar los usos ilícitos o las fallas de medición.

Precisión

Para que los transformadores de instrumento cumplan cabalmente su función, deben disminuir los valores de voltaje o corriente a medir sin introducir ningún error desconocido en la medición. La precisión implica entonces que los errores de la medición deben estar dentro de los límites de un valor pequeño previamente especificado, de manera que puedan ser considerados a través de factores de corrección o despreciados.

La precisión de un transformador de instrumento depende de su diseño, las condiciones del circuito a medir y su carga o burden impuesta a su circuito secundario, y se mide en términos de magnitud y ángulo de fase. Esto lleva a considerar dos tipos de errores en la medición: error de relación y error de ángulo, y por consiguiente, a dos factores de corrección: de relación y de ángulo de fase.

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a. Factor de corrección de relación: se define como la razón de la relación de transformación real a la relación de transformación teórica o de placa. Corrige el error de relación de la medición debido a la corriente de excitación.

b. Factor de corrección de ángulo de fase: se define como la razón o cociente del factor de potencia teórico o de placa al factor de potencia medido. Corrige el desplazamiento angular entre los valores de voltaje o corriente primarios y secundarios atribuido a la corriente de excitación.

Carga o Burden

Se define como el valor de la impedancia en ohms que está conectada a las terminales secundarias del transformador de instrumento, y que determina las potencias activa y reactiva alimentadas por el secundario.

El burden se puede expresar en dos formas: como la impedancia total –suma de las resistencias y de las reactancias- de la carga expresada en ohms, o como los voltamperes totales en VA y el factor de potencia total.

El burden conectado al circuito secundario de los transformadores de instrumento afecta su precisión, por lo que es importante conocer las cargas o burdens de los conductores (cables de control), de los instrumentos de medición y de otros instrumentos en el secundario. Por lo general, esta información se obtiene de los datos de los fabricantes de los instrumentos.

Se han establecido burdens o cargas estándar para transformadores de instrumento, definidas como las cargas máximas que se pueden conectar a sus terminales secundarias que garantizan la precisión de la medición.

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Clase de Precisión

Es el error máximo que el transformador puede introducir en la medición, Se han establecido burdens o cargas estándar para transformadores de instrumento, definidas como las cargas máximas que se pueden conectar a sus terminales secundarias que garantizan la precisión de la medición.

a. Clase de precisión para transformadores de corriente: Es el error máximo admisible, en porciento, que el transformador de corriente puede introducir en la medición, operando con su corriente nominal primaria y la frecuencia nominal. Las normas ANSI definen la clase precisión de acuerdo con los siguientes valores: 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.6, 1.2, 3 y 5. Cada clase de precisión especificada debe asociarse con una o varias cargas o burdens, por ejemplo: 0.3 de precisión con una carga B-0.1.

b. Clase de precisión para transformadores de potencial: