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Técnico en Mantenimiento de Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO

   A    I    C    N    A    T    S    I    D    A    L    A    N    O    I    S    E    F    O    R    P    N     ‡    I    C    A    M    R    O    F

9

    d   a     d    i   n    U

Transformadores

MÓDULO Electrotecnia

Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES INSTALACIONES DE FRÍO, CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR Título del Módulo: ELECTROTECNIA Dirección:

Dirección General de Formación Profesional. Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente. Dirección de la obra: Alfonso Gareaga Herrera Antonio Reguera García Arturo García Fernández Ascensión Solís Fernández Juan Carlos Quirós Quirós Luis María Palacio Junquera Manuel F. Fanjul Antuña Yolanda Álvarez Granda Coordinación de contenidos del ciclo formativo: Javier Cueli Llera Autor: Romualdo Pérez Fernández

Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias Coordinación: Javier Maestro del Estal Monserrat Rodríguez Fernández Equipo Técnico de Redacción: Alfonso Fernández Mejías Ramón García Rosino Luis Miguel Llorente Balboa de Sandoval José Manuel Álvarez Soto Estructuración y desarrollo didáctico: Isabel Prieto Fernández Miranda Diseño y maquetación: Begoña Codina González Alberto Busto Martínez María Isabel Toral Alonso Sofía Ardura Gancedo Colección: Materiales didácticos de aula Serie: Formación Profesional Específica Edita: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente ISBN: ISBN: 84-690-1473-0 Depósito Legal: Legal: AS-0593-2006 Copyright: © 2006. Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Todos los derechos reservados. La reproducción de las imágenes y fragmentos de las obras audiovisuales que se emplean en los diferentes documentos y soportes de esta publicación se acogen a lo establecido en el artículo 32 (citas y reseñas) del Real Decreto Legislativo 1/2.996, de 12 de abril, y modificaciones posteriores, puesto que “se trata de obras de naturaleza escrita, sonora o audiovisual que han sido extraídas de documentos ya divulgados por vía comercial o por Internet, se hace a título de cita, análisis o comentario crítico, y se utilizan solamente con fines docentes”. Esta publicación tiene fines exclusivamente exclusivamente educativos. Queda prohibida la venta de este material a terceros, así como la reproducción total o parcial de sus contenidos sin autorización expresa de los autores y del Copyright.

9 Transformadores

   d   a    d    i   n    U

Sumario general

Objetivos ............................................................... ............................... ............................................................... ...............................

4

Conocimientos ............................................................. .............................. ......................................................... ..........................

5

Introducción...........................................................................................

6

Contenidos generales ................................................................ .............................. ............................................... .............

6

Transformadores monofásicos de potencia................................. potencia ........................................... ..........

7

Transformadores trifásicos de potencia.............................................. potencia............. .................................... ... 22 Aspectos constructivos. Refrigeración y protecciones........................... protecciones ........................... 30 Transformadores especiales...................................................... especiales................... ............................................... ............ 36 Resumen de contenidos ............................................................. ............................. ............................................ ............ 43 Autoevalución........................................................................................

45

Respuestas de actividades ................................................................ ................................ ...................................... ...... 48 Respuestas de autoevaluación ................................................................ ................................ ................................ 51 Anexos ........................................................... ............................ .............................................................. ........................................ ......... 56

3



Módulo: Electrotecnia



Objetivos

Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de:

  r   o    l   a    C   e    d   n    ó    i   c   c   u    d   o   r    P   y   n    ó    i   c   a   z    i    t   a   m    i    l    C  ,   o    í   r    F   e    d   s   e   n   o    i   c   a    l   a    t   s   n    I   e    d   o    t   n   e    i   m    i   n   e    t   n   a    M   n   e   o   c    i   n   c    é    T

4



Entender el principio de funcionamiento de un transformador.



Diferenciar un transformador real del ideal.



Describir las características funcionales de los transformadores.



Obtener a partir de los ensayos normalizados, las características de los transformadores.



Adaptar las características de los transformadores monofásicos, a los trifásicos.



Diferenciar los transformadores en función de su sistema de refrigeración.



Diferenciar entre transformadores de potencia, de medida y de protección.

9 Transformadores

   d   a    d    i   n    U

Conocimientos que deberías adquirir CONCEPTOS S • Relación de transformación. • Relación de transformación nominal. • Pérdidas en el hierro y en el cobre. • Rendimiento del transformador. • Caída de tensión interna. • ‹ndice de carga, horario y grupo de conexión. • Medida indirecta. • Intensidad de defecto. • Contacto indirecto.

ITUACIONESS PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS

• Realización del conexionado en estrella y en triángulo de los devanados de un transformador trifásico. • Realización, con precisión y seguridad, del conexionado para la realización de enensayos, con especial atención al ensayo de cortocircuito. • Explicación, a partir de las lecturas de los aparatos de medida, de las características de los transformadores.

ACTITUDES S • Cumplir la normativa de seguridad de los laboratorios donde se realizan los ensayos.

5



Módulo: Electrotecnia



Introducción

Cuando nos referimos a un transformador, implícitamente lo hacemos a un transformador de potencia, que es el que se emplea en el transporte y distribución de energía eléctrica, desde las centrales hasta los puntos de utilización.

  r   o    l   a    C   e    d   n    ó    i   c   c   u    d   o   r    P   y   n    ó    i   c   a   z    i    t   a   m    i    l    C  ,   o    í   r    F   e    d   s   e   n   o    i   c   a    l   a    t   s   n    I   e    d   o    t   n   e    i   m    i   n   e    t   n   a    M   n   e   o   c    i   n   c    é    T

6

Gracias a esta ≈máquina eléctrica estática∆, es viable transportar la energía eléctrica con pérdidas económicas y energéticas mínimas. En las instalaciones eléctricas de BT, muchos relés y controladores para automatismos de refrigeración, climatización, etc., funcionan a 12 ó 24 V/ 50 Hz, con lo que queda claro la necesidad de transformadores. Además de para transporte y adaptación de tensiones, los transformadores también se pueden utilizar para realizar medidas de intensidad y tensión y para proteger a las personas en las instalaciones eléctricas. Los fenómenos físicos que explican el funcionamiento de los transformadores ya los estudiaste en la unidad didáctica 4 Fenómenos Electromagnéticos  , conviene que la repases antes de abordar ésta que te presentamos a continuación. ≈    

∆    ∆   

Contenidos generales

En esta unidad estudiaremos los transformadores de potencia tanto monofásicos como trifásicos, los transformadores de medida y los de protección.

9 Transformadores

   d   a    d    i   n    U

Transformadores monofásicos de potencia Como ya hemos comentado anteriormente, los transformadores de potencia se utilizan para el transporte y distribución de energía eléctrica. Normalmente estos transformadores son trifásicos, restringiéndose el uso de los monofásicos a las instalaciones de BT. No obstante el estudio debe de comenzarse por los monofásicos, puesto que los trifásicos son casi idénticos desde el punto de vista funcional, con las adaptaciones propias a conceptos trifásicos. En argot electrotécnico, es habitual emplear el diminutivo ≈trafo∆ para referirse a un transformador, por lo que en esta unidad encontrarás indistintamente los términos ≈trafo∆ o ≈transformador∆.

Un transformador es una máquina eléctrica estática capaz de transformar la energía eléctrica absorbida de la red, en energía eléctrica con otras características de tensión y de intensidad, que el propio trafo suministrará a la carga a la que esté alimentando. Esta carga puede ser desde un receptor eléctrico simple hasta una instalación eléctrica eléctrica industrial. 

Desde el punto de vista •

 es el lado del trafo que se conecta a la red de alimentación.

•

 es el lado del trafo que alimenta a la carga.

 el trafo se divide en dos partes:

Fig. 1: Constitución de un trafo. 

Desde el punto de vista •

•

 y/o funcional el trafo se compone de:

  habitualmente 2 devanados (bobinas), la primaria y la secundaria, cuyo material conductor es cobre.  un núcleo de material ferromagnético (hierro).

7





Módulo: Electrotecnia

El transformador ideal. Principio de funcionamiento Si has repasado la

 de la unidad didáctica 4 Fenóme-  nos Electromagnéticos    habrás reconocido en la imagen anterior un transformador elemental formado por dos bobinas y un núcleo ferromagnético. El flujo será alterno e igual para ambas bobinas, por tanto la fuerza electromotriz inducida (f.e.m.) en ellas dependerá solamente de su número de espiras (siempre tendrá más f.e.m. la bobina de mayor número de espiras). ≈    

∆    ∆   

Resulta entonces:

  r   o    l   a    C   e    d   n    ó    i   c   c   u    d   o   r    P   y   n    ó    i   c   a   z    i    t   a   m    i    l    C  ,   o    í   r    F   e    d   s   e   n   o    i   c   a    l   a    t   s   n    I   e    d   o    t   n   e    i   m    i   n   e    t   n   a    M   n   e   o   c    i   n   c    é    T

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F.e.m. (bobina 1 ª ) E1 N1 = = F.e.m. (bobina 2 ª ) E2 N2

Si consideramos un trafo ideal podemos obtener conclusiones muy útiles, pero ∂qué es un trafo ideal? Aquel que se comporta de forma perfecta y que obviamente, no existe en realidad. Las características de un trafo ideal son las siguientes: 

Los devanados (bobinas)  al paso de la corriente, por tanto no hay calentamientos por efecto Joule (pérdidas en el cobre).



El Fe (pérdidas en el Fe).



El núcleo de Fe es mucho mejor conductor magnético que el aire, por tanto casi todo el flujo creado por los devanados circula por el Fe. Sin embargo una pequeña parte llamada , circula por el aire (menos del 1% del Φ  en el Fe). En un trafo ideal no hay flujo de dispersión porque se considera al Fe, infinitamente mejor conductor magnético que al aire.

 por histéresis ni por corrientes parásitas de Foucault

Fig.2: Flujo de dispersión de un devanado.

A partir de estas características de los trafos ideales, podemos sacar las siguientes conclusiones: 

Si los devanados no tienen resistencia ni flujo de dispersión, la f.e.m. originada en el secundario será íntegramente, la tensión comunicada a la carga (E2 = V2); es decir la bobina secundaria se comporta como una fuente ideal de tensión (no hay caída de tensión interna en el trafo).

I1

1

2

V1=E1

1'

Fig. 3: Trafo ideal 

I2

V2=E2

trafo

2'

carga

9 Transformadores

   d   a    d    i   n    U

Tenemos entonces:

V1 E1 N1 = = V2 E2 N2 

Puesto que no hay pérdidas, ni en el cobre de los devanados ni en el Fe, toda la potencia absorbida de la red por el primario es la que suministra el secundario a la carga (V1 x I1=V2 x I2). Por tanto tenemos:

S1 = S 2 →

V1 × I1 = V2 × I2 →

V1 I2 = V2 I1

Estas conclusiones son la clave para entender el funcionamiento de los transformadores. La relación entre las tensiones es la misma que entre las espiras de los devanados y se llama  la relación entre las corrientes es la inversa de la rt. Por tanto:

V1 N1 I = = rt = 2 V2 N2 I1 En función de la rt los transformadores se pueden clasificar en reductores o elevadores de la tensión: 

Si N1 > N2

 

entonces rt > 1



V1 > V2

 trafo

reductor.



Si N1 < N2



entonces rt < 1



V1 < V2

 trafo

elevador.



Si N1 = N2  entonces rt = 1



V1 = V2

 no

hay transformación de tensión.

La mayoría de transformadores que un técnico en instalaciones de BT encontrará son reductores. Normalmente transformadores de distribución para reducir la MT (20 ó 15 kV) a BT (400 V) o bien transformadores de 230 a 12 ó 24 V para los circuitos de control de automatismos frigoríficos, automatismos de control en salas de calderas, etc. Un transformador elevador no es habitual industrialmente. Sin embargo, a la salida de las centrales eléctricas es indispensable, para aumentar la tensión de 12 ó 15 kV producidos por el alternador a 220 kV, tensión a la cual se produce el transporte de energía eléctrica con menos intensidad y con menos pérdidas por efecto Joule en los conductores.

9



Módulo: Electrotecnia



∂Tiene

sentido un trafo con N1 = N2? Aparentemente no, pero veremos más adelante que existe una aplicación para un trafo tan peculiar.

Ejemplo

Conectamos el primario de 100 espiras de un transformador, a una toma de tensión doméstica (230 V). 

  r   o    l   a    C   e    d   n    ó    i   c   c   u    d   o   r    P   y   n    ó    i   c   a   z    i    t   a   m    i    l    C  ,   o    í   r    F   e    d   s   e   n   o    i   c   a    l   a    t   s   n    I   e    d   o    t   n   e    i   m    i   n   e    t   n   a    M   n   e   o   c    i   n   c    é    T

10

∂Qué

tensión se induce en el secundario de 25 espiras? N1 = 100 = 4 N2 25

Puesto que la bobina 2≤ tiene la cuarta parte de espiras, tendrá la cuarta parte tensión.

→ V2 = 

230 V = 57,5 V 4

∂Qué

corrientes circulan si la carga conectada al secundario es una resistencia de 10 Ω? Aplicando la Ley de Ohm a la resistencia: Como:

→ rt =

→ I2 =

V2 57,5 V = = 5,75 A R 10 Ω

I2 I 5,75 A → I1 = 2 = = 1,43 A I1 rt 4

Observa que por el primario circula menos corriente.

El devanado de mayor número de espiras es el que tiene más tensión y menos corriente y viceversa.

9 Transformadores

   d   a    d    i   n    U

1

   d   a    d    i   v    i    t   c

a

Determina a partir de los siguientes casos la intensidad y/o la tensión que faltan en el transformador, teniendo en cuenta que en los casos 2 y 4 las expresiones 50:1 y 1:10, indican la relación entre el número de espiras de los devanados. Caso 1

Caso 2

20 A 1

2

230 V

1'

?

24 V

trafo

2

?

1000 V

2'

carga

Caso 3

?

trafo 50:1

1'

2'

carga

Caso 4

25 A 1

2

?

5A

500 V

1'

6A 1

trafo

2'

carga

1

?

2

?

6A

400 V

1'

trafo 1:10

2'

carga

El transformador monofásico real Los trafos reales lógicamente, no cumplen las condiciones vistas en el apartado anterior, por tanto: 

Los devanados presentan resistencia y se calientan al paso de la corriente (pérdidas por efecto Joule o ).



El núcleo de Fe se calienta por histéresis y por corrientes parásitas al circular el flujo magnético



Existe flujo de dispersión en los devanados.

11



Estas

Módulo: Electrotecnia



son la causa de las siguientes consecuencias:



Como hay pérdidas (calentamientos) en el Fe y en el cobre, el rendimiento del trafo no será del 100 % (en los grandes trafos de potencia el rendimiento oscila entre el 95 y 98 %).



La resistencia de los devanados y el flujo de dispersión originan interna en el trafo. Por este motivo la tensión que el secundario suministra a la carga (V2) es variable y depende de la intensidad y del fdp de la carga.

Vamos a estudiar a continuación las características de los trafos reales.

o Valores nominales   r   o    l   a    C   e    d   n    ó    i   c   c   u    d   o   r    P   y   n    ó    i   c   a   z    i    t   a   m    i    l    C  ,   o    í   r    F   e    d   s   e   n   o    i   c   a    l   a    t   s   n    I   e    d   o    t   n   e    i   m    i   n   e    t   n   a    M   n   e   o   c    i   n   c    é    T

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Como todos los elementos de los circuitos eléctricos, los trafos presentan características nominales fijadas por el fabricante y que son la referencia fundamental a la hora de elegir un transformador. 

 es la máxima que el trafo puede absorber de la red por el primario y la máxima que puede ceder a la carga por el secundario. Habitualmente se mide en kVA.



 la tensión adecuada para conectar el primario del trafo. Normalmente coincide con los valores habituales de las redes eléctricas; 230 V en monofásico y 400 V en trifásico para BT. Si se conecta el primario a una red de más tensión que la nominal del trafo, se pueden dañar los aislamientos y saturar demasiado el circuito magnético. En cambio, si se conecta a tensión inferior se produce un descenso en el flujo magnético y una pérdida de las características del trafo (un trafo se debe de conectar por el primario, primario, siempre, a su tensión nominal).



 la tensión que el trafo suministra a la carga, cuando esta consume la potencia nominal con fdp 0,80 y cuando el primario se alimenta a la tensión nominal.



 las que circulan por los devanados cuando el trafo suministra la potencia nominal y se alimenta por el primario a tensión nominal. Además son las máximas que pueden circular indefinidamente sin calentamientos excesivos.

En vista de estas definiciones se cumple que: SN = V1N × I1N = V2N × I2N

9 Transformadores

   d   a    d    i   n    U

o Caída de tensión Observa en la siguiente imagen cómo el secundario se comporta como una fuente de tensión con impedancia interna.

I1

1

Resistencia

 V1N

1'

Reactancia que simula el flujo de dispersión

I2

2

E2

V2