Trasn for Mad Or

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El Transformador Índice

EL TRANSFORMADOR ........................... ........................................ ........................... ............................ ............................ ............................ ..................... ....... 3 Introducción.......................... ........................................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ........................ .......... 3 Objetivo ............................ ......................................... ........................... ........................... ........................... ............................ ........................... ........................ ................ .....3 Definición .......................... ........................................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ........................ ............. ...4 Historia del Transformador......................... ....................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ................ 4 Primeros pasos: los experimentos con bobinas de inducción ........................... ....................................... ............4 El nacimiento del primer transformador........................... ......................................... ........................... ........................... ................... ..... 5 Funcionamiento........................... ......................................... ........................... ........................... ............................ ............................ ............................ ................. ... 6 Función del transformador .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 6 Datos de placa del transformador ..................... .................................. ........................... ............................ ............................ ....................... ......... 6 Tipos de Transformadores ..................................... ................................................... ............................ ............................ ............................ ................. ... 8 Transformadores de distribución....................... ..................................... ............................ ........................... ........................... ....................... ......... 9 Partes del transformador N° 01............. 01 ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 12 Partes del transformador N° 02............. 02 ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 13 Pruebas de Campo para Transformadores........................... ......................................... ............................ ............................ .............. 14 Diagnóstico de transformadores de Potencia porcentaje de posibles p osibles fallas ................... ...................20 Grupos de Conexiones en los Transformadores ........................... ......................................... ........................... ................... ...... 21 Conclusión .......................... ........................................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ....................... .........22 Bibliografía ........................... ........................................ ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ ...................... ........22

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El T ansforma or

EL TRAN FOR  ADOR Intr  ducción Se denomiina “transformador “ a n dispositiv o eléctrico ue permite aumentar o dismi uir la tensi n en un circuito eléctrico de corrien te alterna, anteniend la potencia.

Tran formador Ideal La po encia que i gresa al equipo, es igual a la poten cia que se obtiene a la salida.

Tran formador Real Las máquinas re les presentan un pequeño porcen taje de pér  idas, depe diendo de su diseñ y tamaño, entre otros actores.

Objetivo El objetivo de este tra ajo es conocer, estudiiar el funci namiento, las partes, las prueba que se le realizan p ra asegur  r su buen funcionami nto y la i portancia el transfor mador en el uso industr ial y domés ico.

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Definición El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

Historia del Transformador  Primeros pasos: los experimentos con bobinas de inducción

El fenómeno de inducción electromagnética en el que se basa el funcionamiento del transformador  fue descubierto por Michael Faraday en 1831, se basa fundamentalmente en que cualquier  variación de flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado genera una corriente inducida, y en que la corriente inducida sólo permanece mientras se produce el cambio de flujo magnético. La primera "bobina de inducción" fue inventada por el sacerdote Nicholas Joseph Callan en la Universidad de Maynooth en Irlanda en 1836. Callan fue uno de los primeros investigadores en darse cuenta de que cuantas más espiras hay en el secundario, en relación con el bobinado primario, más grande es el aumento de la tensión eléctrica. Los científicos e investigadores basaron sus esfuerzos en evolucionar las bobinas de inducción para obtener mayores tensiones en las baterías. En lugar de corriente alterna (CA), su acción se basó en un "do & break" mecanismo vibrador que regularmente interrumpía el flujo de la corriente directa (DC) de las baterías. Entre la década de 1830 y la década de 1870, los esfuerzos para construir mejores bobinas de inducción, en su mayoría por ensayo y error, reveló lentamente los principios básicos de los transformadores. Un diseño práctico y eficaz no apareció hasta la década de 1880, pero dentro de un decenio, el transformador sería un papel decisivo en la “Guerra de las Corrientes”, y en que los sistemas de distribución de corriente alterna triunfaron sobre sus homólogos de corriente continua, una posición dominante que mantienen desde entonces.

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En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación basado en un conjunto de bobinas de inducción en el cual el bobinado primario se conectaba a una fuente de corriente alterna y los devanados secundarios podían conectarse a varias lámparas de arco, de su propio diseño. Las bobinas utilizadas en el sistema se comportaban como transformadores primitivos. La patente alegó que el sistema podría, “proporcionar suministro por separado a varios puntos de iluminación con diferentes intensidades luminosas procedentes de una sola fuente de energía eléctrica”. En 1878, los ingenieros de la empresa Ganz en Hungría asignaron parte de sus recursos de ingeniería para la fabricación de aparatos de iluminación eléctrica para Austria y Hungría. En 1883, realizaron más de cincuenta instalaciones para dicho fin. Ofrecía un sistema que constaba de dos lámparas incandescentes y de arco, generadores y otros accesorios. En 1882, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs expusieron por primera vez un dispositivo con un núcleo de hierro llamado "generador secundario" en Londres, luego vendieron la idea a la compañía estadounidense Westinghouse Electric. También este sistema fue e xpuesto en Turín, Italia en 1884, donde fue adoptado para el sistema de alumbrado eléctrico.

El nacimiento del primer transformador 

Entre 1884 y 1885, los ingenieros húngaros Zipernowsky, Bláthy y Deri de la compañía Ganz crearon en Budapest el modelo “ZBD” de transformador de corriente alterna, basado en un diseño de Gaulard y Gibbs (Gaulard y Gibbs sólo diseñaron un modelo de núcleo abierto). Descubrieron la fórmula matemática de los transformadores:

 =    Dónde: (Vs) es la tensión en el secundario y ( Ns) es el número de espiras en el secundario, (Vp) y (Np) se corresponden al primario. Su solicitud de patente hizo el primer uso de la palabra "transformador", una palabra que había sido acuñada por Bláthy Ottó. En 1885, George Westinghouse compro las patentes del ZBD y las de Gaulard y Gibbs. Él le encomendó a William Stanley la construcción de un transformador de tipo ZBD para uso comercial. Este diseño se utilizó por primera vez comercialmente en 1886.

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Funcionamiento Este elemento eléctrico se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, ya que si aplicamos una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, debido a la variación de la intensidad y sentido de la corriente alterna, se produce la inducción de un flujo magnético variable en el núcleo de hierro. Este flujo originará por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en el devanado secundario. La tensión en el devanado secundario dependerá directamente del número de espiras que tengan los devanados y de la tensión del devanado primario

Función del transformador  ¾ ¾

Aislar el circuito del primario del secundario. Elevar o reducir el nivel de tensión.

Datos de placa del transformador  ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾

Potencia Nominal. Tensiones nominales AT y BT. Corrientes nominales AT y BT. Frecuencia nominal. Tensión de corto circuito. Grupo de conexión. Perdidas de vacío. Peso total Peso del aceite Año de fabricación.

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Tipos de Transformadores Monofásico

Trifásico

Autotransformador 

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Transformadores de distribución Se denomina transformadores de distribución, generalmente los transformadores de potencias iguales o inferiores a 500 KVA y de tensiones iguales o inferiores a 67 000 V, tanto monofásicos como trifásicos. Aunque la mayoría de tales unidades están proyectadas para montaje sobre postes, algunos de los tamaños de potencia superiores, por encima de las clases de 18 KV, se construyen para montaje en estaciones o en plataformas. Las aplicaciones típicas son para alimentar a granjas, residencias, edificios o almacenes públicos, talleres y centros comerciales.  A continuación se detallan algunos tipos de transformadores de distribución. Descripción:

Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. Características Generales:

Se fabrican en potencias normalizadas desde 25 hasta 1000 KVA y tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 KV. Se construyen en otras tensiones primarias según especificaciones particulares del cliente. Se proveen en frecuencias de 50 - 60 Hz. La variación de tensión, se realiza mediante un conmutador exterior de accionamiento sin carga. Transformadores Secos Encapsulados en Resina Epoxi Descripción:

Se utilizan en interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, en lugares donde los espacios reducidos y los requerimientos de seguridad en caso de incendio imposibilitan la utilización de ransformadores refrigerados en aceite. Son de aplicación en grandes edificios, hospitales, industrias, minería, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. Características Generales:

Su principal característica es que son refrigerados en aire con aislación clase F, utilizándose resina epoxi como medio de protección de los arrollamientos, siendo innecesario cualquier mantenimiento posterior a la instalación. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 2500 KVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 KV y frecuencias de 50 y 60 Hz .

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Transformadores Herméticos de Llenado Integral Descripción:

Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, siendo muy útiles en lugares donde los espacios son reducidos. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. Características Generales:

Su principal característica es que al no llevar  tanque de expansión de aceite no necesita mantenimiento, siendo esta construcción más compacta que la tradicional. Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 1000 KVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 KV y frecuencias de 50 y 60 Hz. Transformadores Rurales

Descripción: Están diseñados para instalación monoposte en redes de electrificación suburbanas monofilares, bifilares y trifilares, de 7.6, 13.2 y 15 KV. En redes trifilares se pueden utilizar transformadores trifásicos o como alternativa 3 monofásicos.

Transformadores Subterráneos Aplicaciones

Transformador de construcción adecuada para ser instalado en cámaras, en cualquier nivel, pudiendo ser utilizado donde haya posibilidad de inmersión de cualquier naturaleza. Características

Potencia: 150 a 2000 KVA  Alta Tensión: 15 o 24,2 KV Baja Tensión: 216,5/125; 220/127; 380/220; 400/231 V

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Transformadores Auto Protegidos Aplicaciones

El transformador incorpora componentes para protección del sistema de distribución contra sobrecargas, corto - circuitos en la red secundaria y fallas internas en el transformador, para esto posee fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión, montados internamente en el tanque, fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión. Para protección contra sobretensiones el transformador está provisto de dispositivo para fijación de pararrayos externos en el tanque. Características

Potencia: 45 a 150 KVA  Alta Tensión: 15 o 24,2 KV Baja Tensión: 380/220 o 220/127 V AUTOTRANSFORMADORES

Los autotransformadores se usan normalmente para conectar dos sistemas de transmisión de tensiones diferentes, frecuentemente con un devanado terciario en triángulo. De manera parecida, los autotransformadores son adecuados como ransformadores elevadores de centrales cuando se desea alimentar dos sistemas de transporte diferentes. En este caso el devanado terciario en riángulo es un devanado de plena capacidad conectado al generador y los dos sistemas de ransporte se conectan al devanado, autotransformador. El autotransformador no sólo presenta menores pérdidas que el transformador  normal, sino que su menor tamaño y peso permiten el ransporte de potencias superiores.

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Partes del transformador N° 01

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Terminal de alta tensión. Terminal de baja tensión. Caldera de aletas plegadas (llena de liquidas). Armazón fundido a presión. Bobinado de baja de bandas de aluminio. Bobinas de alta separadas, de aluminio. Núcleo de tres columnas. Inversor. Cubierta de la caldera.

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Part s del tr  nsformador N° 0

1 Núcleo 1’ Prensaculatas 2 Devanados 3 Cuba 4 Alet s refrigera ión 5 Aceite 6 Depósito expansión 7 Aisl dores (BT  AT) 8 Junta 9 Conexiones

10 11 13 15 16 17 18 19 20

ivel aceite 12 Termó etro 14 Grifo d vaciado ambio tensión elé Buchh lz áncamos t ansporte esecador aire apón llena o uesta a tier ra

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Pruebas de Campo para Transformadores ¾ ¾ ¾ ¾ ¾

Relación de Transformación Resistencia de Devanados Corriente de Excitación Reactancia de Fuga Resistencia de Aislamiento

Nota: Las siguientes pruebas tienen como finalidad asegurar la vida útil del transformador y minimizar las fallas que se presentan cuando se encuentra en operación. Relación de Transformación

Con la prueba de relación de transformación se puede obtener errores en: ¾

Defectos de fábrica en los devanados Espiras. Polaridad. Configuración del Devanado. • • •

¾

Cambiador de Tomas defectuoso Montaje incorrecto de las conexiones de los devanados. Conexiones de alta resistencia. Configuración incorrecta del cambiador de tomas. • • •

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Relación de Transformación de forma teórica

Para todas las mediciones de relación de transformación se considera que: La relación de tensiones en vacío es aproximadamente igual a la relación entre el número de espiras. NP = Numero de espiras en el primario. NS = Numero de espiras en el secundario. VP = tensión Primario. VS = tensión Secundario.

  =  =  ∗   Λ  =  =  ∗         =  ∗    =  =    ∗   

Resistencia de Devanados

Con la prueba de resistencia de devanados se puede obtener: ¾

Detección de Averías: Alta resistencia en contactos metálicos Conexiones en los cambiadores de tomas Conexionado de boquillas Conexionado de Devanados • • • •

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Resistencia de Devanados de forma teórica.

Valores de Resistencia típicos en Transformadores de Potencia:  AT rango de ohms Ω BT rango de mΩ o μΩ

  −∗  =  

V = VDC a lo largo del devanado I = IDC a través del devanado L = Inductancia del devanado di/dt = valor variable de corriente Prueba de Corriente de Excitación ¾

Detecta problemas en el núcleo: Cortos entre láminas. Problemas de uniones o juntas. Corrientes circulantes. • • •

¾

Detecta problemas en los devanados: Cortos entre espiras. Circuito abierto. Malas conexiones. • • •

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Prueba de Corriente de Excitación de forma Teórica

También se le conoce como: • •

Prueba de circuito abierto. Prueba en vacío.

La prueba se realizara aplicando tensión AC a cada uno de los devanados de AT: • • •

Fase A, luego fase B, luego fase C. Todos los otros devanados están flotando. Configuración de prueba UST en equipo de pruebas de Factor de Potencia.

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Reactancia de Fuga de forma Teoría ¾ ¾ ¾ ¾

También se la conoce como prueba de Impedancia de Corto Circuito (%Z) La reluctancia del circuito magnético es aislada Si la trayectoria de flujo magnético varia, una fuga de flujo no deseado ocurre. La prueba detecta cortos entre laminas del núcleo, mala conexión del núcleo a tierra, cambios mecánicos en el transformador (registro de datos)

Nota: Idealmente 100% del flujo pasa por el núcleo, 0% fuga.

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Resistencia de Aislamiento

Con la prueba de resistencia de aislamiento se puede obtener: ¾

Avería del aislamiento Corto circuito entre espiras por daño de aislamiento. Averías mayores de aislamiento: inter-devanados o devanado a tierra. • •

Prueba de resistencia de aislamiento ¾ ¾ ¾ ¾

Las pruebas de aislamiento se realizan con tensión DC La tensión de prueba será elegida de acuerdo a la tensión de trabajo del transformador. Las tensiones aplicadas serán: ¾ 250V, 500V, 1000V, 5000V, 10000V La duración de la prueba es de 1 a 10 min.

Conexión de para pruebas de aislamiento ¾ ¾ ¾ ¾

Los devanados se conectan en corto - circuito. La cuba y el núcleo están conectados a tierra. Los devanados que no estén bajo prueba se conectan a tierra. Realice la prueba en cada devanado por separado.

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Diagnóstico de transformadores de Potencia porcentaje de posibles fallas HSB: Harford Steam Boiler Insurance Company

IMIA: International Association of Engineering Insurers

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Grupos de Conexiones en los Transformadores

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Conclusión Es importante realizar pruebas para verificar el estado del transformador antes de ponerlo en servicio, de esta manera podemos asegurar el funcionamiento óptimo y que cumpla su periodo de vida útil, para esto se debe realizar protocolos por cada prueba y así poder  hacer un historial del transformador. El transformador trifásico es una maquina muy útil y con un campo de aplicación bastante grande y casi total dentro de la electrónica y la electricidad, ya que tiene una amplia gama de configuraciones en su conexión y diferentes métodos de disposición en la construcción de la parte física. El estudio de los transformadores y cada uno de los tipos de conexión, es muy necesario para resolver situaciones que en la vida practica se presentan, y el completo entendimiento de las posibles conexiones nos ayudaran a resolver estos inconvenientes.

Bibliografía Textuales

CHAPMAN Stephen, Máquinas Eléctricas, 3 ra Edición. Virtuales

¾

http://zeus.dci.ubiobio.cl/electricidad/transformadores/transformador_monofasico.htm http://zeus.dci.ubiobio.cl/electricidad/transformadores/constitu.htm http://www.unicrom.com/Tut_transformador.asp http://es.wikipedia.org/wiki/Transformador  http://www.fisica.uson.mx/manuales/electro/electro-lab11.pdf  http://www.monografias.com/trabajos78/maquinas-electricas-tipostransformadores/maquinas-electricas-tipos-transformadores.shtml http://books.google.com.pe/books?id=_m_INT38_UC&pg=PA175&lpg=PA175&dq=porque+se+realiza+la+prueba+de++%C3%AD ndice+de+absorci%C3%B3n+en+transformadores&source=bl&ots=CyLuAg1fbX&sig=u 3tJZZGBH6Xz203mafQ_ljNjNZY&hl=es&sa=X&ei=vSWRUauaF9Dx0wHG44HQDw&ve d=0CDMQ6AEwAQ#v=onepage&q=porque%20se%20realiza%20la%20prueba%20de %20%20%C3%ADndice%20de%20absorci%C3%B3n%20en%20transformadores&f=fa lse http://6iv6-2012.blogspot.com/2012/05/mediciones-transformadores.html

¾

http://es.wikipedia.org/wiki/Transformador#Historia

¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾

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