Transformadores
Definición:
Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores.
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 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 primario y secundario 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.
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.
Relación de Transformación
La relación de transformación indica el aumento o decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, la relación entre la tensión de salida y la de entrada.
La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) , según la ecuación:
La relación de transformación (m) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión.
Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario o tensión de entrada, (Vs) es la tensión en el devanado secundario o tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario o corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario o corriente de salida.
- Principio de funcionamiento
El principio de funcionamiento del transformador tiene sus bases en la teoría del electromagnetismo resumida en las ecuaciones de Maxwell.
- Transformador ideal
- Pérdidas en el cobre: Debidas a la resistencia propia del cobre al paso de la corriente
- Pérdidas por corrientes parásitas: Son producidas por la resistencia que presenta el núcleo ferro magnético al ser atravesado por el flujo magnético.
- Pérdidas por histéresis: Son provocadas por la diferencia en el recorrido de las líneas de campo magnético cuando circulan en diferente sentido cada medio ciclo.
- Pérdidas a causa de los flujos de dispersión en el primario y en el secundario: Estos flujos provocan una auto inductancia en las bobinas primarias y secundarias.
- Aplicaciones de los transformadores
- Los transformadores son elementos muy utilizados en la red eléctrica.
- Una vez generada la electricidad en el generador de las centrales, y antes de enviarla a la red, se utilizan los transformadores elevadores para elevar la tensión y reducir así las pérdidas en el transporte producidas por el efecto Joule. Una vez transportada se utilizan los transformadores reductores para darle a esta electricidad unos valores con los que podamos trabajar.
- Los transformadores también son usados por la mayoría de electrodomésticos y aparatos electrónicos, ya que estos trabajan, normalmente, a tensiones de un valor inferior al suministrado por la red
- Por último hacer mención a que uno de los elementos de seguridad eléctrica del hogar utiliza transformadores. Se trata del diferencial. Este dispositivo utiliza transformadores para comparar la intensidad que entra con la que sale del hogar. Si la diferencia entre estos es mayor a 10 mA desconecta el circuito evitando que podamos sufrir lesiones.
Clasificación de los transformadores
Los transformadores se pueden clasificar de diferentes formas:
- Según el tipo de construcción
Acorazados
No acorazados
- Según el tipo de enfriamiento
Húmedos
Secos
- Según el número de fases
Monofásico
Polifásico
- Según el tipo de operación
Potencia (>500kVA)
Distribución (5-500kVA)
- Según el tipo de utilización
Generador
Subestación
Distribución
Medición
Especiales
Horno
Arco eléctrico
- Según la condición de servicio
Uso Interior
Uso Exterior
Pruebas de los transformadores
Las pruebas se hacen en los transformadores y sus accesorios por distintas razones, durante su fabricación, para verificar la condición de sus componentes, durante la entrega, durante su operación como parte del mantenimiento, después de su reparación, etc.
Algunas de las pruebas que se hacen en los transformadores e consideran como básicas y algunas otras varían de acuerdo a la condición individual de los transformadores y pueden cambiar de acuerdo al tipo de transformador, por lo que existen distintas formas de clasificación delas pruebas a transformadores, por ejemplo, algunos las clasifican en prueba de baja tensión y prueba de alta tensión o también se pueden agrupar como pruebas preliminares, intermedias y de verificación (Finales).
Pruebas destructivas
En estas pruebas se somete al transformador a castigo severo hasta que este falla estas pruebas son poco común por que se daña permanentemente al transformador generalmente estas pruebas las realiza el fabricante como control de calidad y en investigación, algunas de estas son:
ü Pruebas de resistencia: Los puntos con alta resistencia en partes de conducción, son fuente de problemas en los circuitos eléctricos, ya que originan caídas de voltaje, fuentes de calor, pérdidas de potencia, etc.; ésta prueba nos detecta esos puntos.
ü Pruebas de corto circuito: En la prueba de cortocircuito los terminales del secundario del transformador se cortocircuitan y los del primario se conectan a una fuente adecuada de voltaje. El voltaje de entrada se ajusta hasta que la corriente de los devanados corocicuitados sea igual a su valor nominal (asegurándonos de mantener un voltaje bajo). De nuevo, se miden el voltaje, la corriente y la potencia de entrada. Ya que el voltaje de entrada es tan pequeño durante la prueba, la corriente que fluye por la rama de excitación es despreciable. Si la corriente de excitación se ignora, toda la caída de voltaje en el transformador puede ser atribuida a los elementos del circuito en serie.
Pruebas de humedad: La humedad en la parte sólida del aislamiento de papel es uno de los factores más importantes en relación al estado de los transformadores de potencia. La humedad puede entrar en el aislamiento de un transformador desde la atmósfera durante la instalación o reparación. Un aumento en el contenido de humedad en el aislamiento de papel acelera el proceso de envejecimiento. La humedad es también un subproducto del proceso de envejecimiento.
La entrada de humedad en el aislamiento de papel impregnado en aceite tiene efectos peligrosos. La resistencia dieléctrica se reduce, la celulosa envejece más rápidamente y se forman burbujas de gas a altas temperaturas. Todos estos efectos aumentan el riesgo de un corte eléctrico repentino.
Por lo tanto, la determinación del contenido de humedad dentro del aislamiento es una manera muy importante de evaluar la fiabilidad y la vida útil de un transformador.
ü Pruebas de impacto
ü Pruebas de temperaturas
Pruebas no destructivas
Estas son las pruebas que comúnmente se realizan en la industria como mantenimiento preventivo para asegurar su buen funcionamiento si en algunas de estas pruebas se tienen como resultados valores fuera de la norma se tendrá a proceder un plan de mantenimiento, algunas de estas son:
ü Prueba de aislamiento: Consiste en verificar que los aislamientos del transformador bajo prueba cumplen con la resistencia mínima soportable bajo la operación a la que serán sometidos, así como de comprobar la no inadecuada conexión entre sus devanados y tierra para avalar un buen diseño del producto y que no exista defectos en el mismo.
Prueba al aceite dieléctrico: Es conveniente monitorear la condición del aceite mediante la realización de pruebas en laboratorio, con el fin de realizar oportunamente el reacondicionamiento y/o cambio del mismo, antes de que dicho aceite se deteriore al punto que se pueda esperar una falla.
Las características físico-electro-químicas del aceite, el voltaje, la potencia, construcción y condiciones de servicio del transformador determinarán sí se debe seguir un programa anual de pruebas o uno más frecuente
