Los transformadores y sus aplicaciones (página 4)

Partes: 1, 2, 3, 4

También se construyen motores de CC con el rotor de
imanes permanentes para aplicaciones especiales.

6.5.1-
Principio de funcionamiento

Según la segunda Ley de Lorentz, un conductor por el
que pasa una corriente eléctrica que causa un campo
magnético a su alrededor tiende a ser expulsado si se le
quiere introducir en otro campo magnético.

F: Fuerza en newtons

I: Intensidad que recorre el conductor en amperios

l: Longitud del conductor en metros lineales

B: Inducción en teslas

Vale la pena agregar en el caso de las direcciones de la
inducción magnética , la fuerza en la que se
moverá el conductor como también el sentido de
circulación de la corriente, se pueden definir con la
Regla de la Mano Derecha de Fleming.

6.5.2- Fuerza
contraelectromotriz inducida en un motor

Es la tensión que se crea en los conductores de un
motor como consecuencia del corte de las líneas de fuerza,
es el efecto generador

La polaridad de la tensión en los generadores es
inversa a la aplicada en bornes del motor.

Las fuertes puntas de corriente de un motor en el arranque son
debidas a que con máquina parada no hay fuerza
contraelectromotriz y el bobinado se comporta como una
resistencia pura del circuito.

6.5.3- Número de
escobillas

Las escobillas deben poner en cortocircuito todas las bobinas
situadas en la zona neutra. Si la máquina tiene dos polos,
tenemos también dos zonas neutras En consecuencia, el
número total de escobillas ha de ser igual al
número de polos de la máquina.

En cuanto a su posición, será coincidente con
las líneas neutras de los polos.

6.5.4- Sentido de
giro

El sentido de giro de un motor de corriente continua depende
del sentido relativo de las corrientes circulantes por los
devanados inductor e inducido.

La inversión del sentido de giro del motor de corriente
continua se consigue invirtiendo el sentido del campo
magnético o de la corriente del inducido.

Si se permuta la polaridad en ambos bobinados, el eje del
motor gira en el mismo sentido.

Los cambios de polaridad de los bobinados, tanto en el
inductor como en el inducido se realizarán en la caja de
bornes de la máquina.

6.5.5- Reversibilidad

Los motores y los generadores de corriente continua
están constituidos esencialmente por los mismos elementos,
diferenciándose únicamente en la forma de
utilización.

Por reversibilidad entre el motor y el generador se entiende
que si se hace girar al rotor, se produce en el devanado inducido
una fuerza electromotriz capaz de transformarse en energía
en el circuito de carga.

En cambio, si se aplica una tensión continua al
devanado inducido del generador a través del colector de
delgas, el comportamiento de la máquina ahora es de motor,
capaz de transformar la fuerza contraelectromotriz en
energía mecánica.

En ambos casos el inducido está sometido a la
acción del campo inductor principal.

6.6- Motor Pasó a Paso

El motor de paso a paso es un dispositivo
electromecánico que convierte una serie de impulsos
eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que
significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso)
dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso se
comporta de la misma manera que un convertidor
digital-analógico y puede ser gobernado por impulsos
procedentes de sistemas lógicos.

Este motor presenta las ventajas de tener alta
precisión y repetibilidad en cuanto al posicionamiento.
Entre sus principales aplicaciones destacan como motor de
frecuencia variable, motor de corriente continua sin escobillas,
servomotores y motores controlados digitalmente.

Existen 3 tipos fundamentales de motores paso a paso: el motor
de reluctancia variable, el motor de magnetización
permanente, y el motor paso a paso híbrido.

6.6.1-
Principio de Funcionamiento

El motor paso a paso está constituido , como la
mayoría de motores eléctricos, esencialmente de dos
partes:

Una parte fija llamada "estator" , construida a base de
cavidades en las que van depositadas las bobinas que excitadas
convenientemente formarán los polos norte-sur de forma
que se cree un campo magnético giratorio.

Una parte móvil, llamada "rotor" construida bien con
un imán permanente o bien por un inducido
ferromagnético, con el mismo número de pares de
polos que el contenido en una sección de la bobina del
estator; este conjunto va montado sobre un eje soportado por
dos cojinetes que le permiten girar libremente.

Si por el medio del control que sea (electrónico,
informático, etc..), conseguimos excitar el estator
creando los polos N-S, y hacemos variar dicha excitación
de modo que el campo magnético formado efectúe un
movimiento giratorio, la respuesta del rotor será seguir
el movimiento de dicho campo, produciéndose de este modo
el giro del motor.

Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados
en una posición o bien totalmente libres. Si una o
más de sus bobinas están alimentadas, el motor
estará enclavado en la posición correspondiente y
por el contrario quedará completamente libre si no circula
corriente por ninguna de sus bobinas.

120px-Stepper_motor_1

Paso 1; la bobina 1 esta activada, atrayendo los cuatro
dientes superiores imantados del rotor.

120px-Stepper_motor_2

Paso 2; la bobina 1 se apaga, y la bobina 2 (derecha) se
activa, moviendo los dientes cercanos a la derecha. Resulta
una rotación de 3.6°.

120px-Stepper_motor_3

Paso 3; De nuevo la bobina 2 se apaga, y la bobina 3 se
activa. Resulta otra rotación de 3.6°.

120px-Stepper_motor_4

Paso 4; La activación de la bobina 4 permite de
nuevo la rotación de 3.6°. Cuando la bobina 1 se
carge de nuevo, un diente habra permutado su
posición a la derecha; como hay 25 dientes, se
necesitaran 100 pasos para un giro completo.

6.7- Características
generales

Rendimiento: es el cociente entre la potencia útil
que generan y la potencia absorbida. Se representa con el
caracter η
Velocidad de giro o velocidad nominal: es la velocidad
angular del cigueñal, es decir, el número de
radianes por segundo (rad/s) a las que gira. Se representa por
la letra n.
Potencia: es el trabajo que el motor es capaz de realizar
en la unidad de tiempo a una determinada velocidad de giro. Se
mide normalmente en caballos de vapor (CV), siendo 1 CV igual a
736 vatios.
Par Motor: es el momento de rotación que
actúa sobre el eje del motor y determina su giro. Se
mide en kilográmetros (kgm) o newtons-metro (Nm), siendo
1 kgm igual a 9,8 Nm. Hay varios tipos de pares, véanse
por ejemplo el par de arranque, el par de aceleración y
el par nominal.

6.8- Ventajas

En diversas circunstancias presenta muchas ventajas respecto a
los motores de combustión:

A igual potencia, su tamaño y peso son más
reducidos.
Se pueden construir de cualquier tamaño.
Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de
motor, prácticamente constante.
Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno
al 75%, aumentando el mismo a medida que se incrementa la
potencia de la máquina).

6.9- Cambio de sentido de giro

Para efectuar el cambio de sentido de giro de los motores
eléctricos de corriente alterna se siguen unos simples
pasos tales como:

Para motores monofásicos únicamente es
necesario invertir las terminales del devanado de arranque
Para motores trifásicos únicamente es
necesario invertir dos de las conexiones de alimentación
correspondientes a dos fases de acuerdo a la secuencia de
trifases.

6.10- Regulación de velocidad

En los motores asíncronos trifásicos existen dos
formas de poder variar la velocidad, una es variando la
frecuencia mediante un equípo electrónico especial
y la otra es variando la polaridad gracias al diseño del
motor. Esto último es posible en los motores de devanado
separado, o los motores de conexión Dahlander.

7.- Bobinas

La bobina o inductor es un elemento que reacciona contra los
cambios en la corriente a través de él, generando
una tensión que se opone a la tensión aplicada y es
proporcional al cambio de la corriente.

Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito
eléctrico que, debido al fenómeno de la
autoinducción, almacena energía en forma de campo
magnético.

Al estar la bobina hecha de espiras de cable, el campo
magnético circula por el centro de la bobina y cierra su
camino por su parte exterior.

Una característica interesante de las bobinas es que se
oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por
ellas.

Esto significa que a la hora de modificar la corriente que
circula por ellas (ejemplo: ser conectada y desconectada a una
fuente de alimentación de corriente continua), esta
intentará mantener su condición anterior.

Este caso se da en forma continua, cuando una bobina esta
conectada a una fuente de corriente alterna y causa un desfase
entre la tensión que se le aplica y la corriente que
circula por ella.

7.1- Construcción

Un inductor está constituido usualmente por una cabeza
hueca de una bobina de material conductor, típicamente
alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con
núcleo de aire o con núcleo de un material ferroso,
para incrementar su capacidad de magnetismo entre la Intensidad
(inductancia).

Los inductores pueden también estar construidos en
circuitos integrados, usando el mismo proceso utilizado para
realizar microprocesadores. En estos casos se usa,
comúnmente, el aluminio como material conductor. Sin
embargo, es raro que se construyan inductores dentro de los
circuitos integrados; es mucho más práctico usar un
circuito llamado "girador" que, mediante un amplificador
operacional, hace que un condensador se comporte como si fuese un
inductor. El inductor consta de las siguientes partes:

ü Pieza polar: Es la
parte del circuito magnético situada entre la culata y el
entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión
polar.

ü Núcleo: Es
la parte del circuito magnético rodeada por el devanado
inductor.

ü Devanado inductor:
Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo
magnético, al ser recorrido por la corriente
eléctrica.

ü Expansión
polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y
que bordea al entrehierro.

ü Polo auxiliar o de
conmutación: Es un polo magnético suplementario,
provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la
conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de
mediana y gran potencia.

ü Culata: Es una
pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por
devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.

También pueden fabricarse pequeños inductores,
que se usan para frecuencias muy altas, con un conductor pasando
a través de un cilindro de ferrita o granulado.

7.2-
Energía almacenada

La bobina almacena energía eléctrica en forma de
campo magnético cuando aumenta la intensidad de corriente,
devolviéndola cuando ésta disminuye.
Matemáticamente se puede demostrar que la energía,
,
almacenada por una bobina con inductancia ,
que es recorrida por una corriente de intensidad , viene dada por:

$mathcal{E} = {1 over 2} L I^2,!$

7.3- Fuerza
electromotriz autoinducida

Una variación de la intensidad de corriente
() dará como resultado una
variación del campo magnético y, por lo mismo, un
cambio en el flujo que está atravesando el circuito. De
acuerdo con la Ley de Faraday, un cambio del flujo, origina una
fuerza electromotriz autoinducida. Esta fuerza electromotriz, de
acuerdo con la Ley de Lenz, se opondrá a la causa que lo
origina, esto es, la variación de la corriente
eléctrica, por ello suele recibir el nombre de fuerza
contralectromotriz. Su valor viene dado por la siguiente
ecuación diferencial:

$E =- frac{dPhi}{dt} = -L frac{di}{dt}$

donde el signo menos indica que se opone a la causa que lo
origina.

En un inductor ideal, la fuerza contra-electromotriz
autoinducida es igual a la tensión aplicada al inductor.
La fórmula precedente puede leerse de esta manera: Si uno
de los bornes del inductor es positivo con respecto al otro, la
corriente que entra por el primero aumenta con el
tiempo.

Cuando el inductor no es ideal porque tiene una resistencia
interna en serie, la tensión aplicada es igual a la suma
de la caída de tensión sobre la resistencia interna
más la fuerza contra-electromotriz
autoinducida.

7.4- Comportamientos ideal y real

Figura 2: Circuito con inductancia.

Circuito con inductancia.

La bobina ideal puede definirse a partir de la siguiente
ecuación:

donde, L es la inductancia, u(t) es la función
diferencia de potencial aplicada a sus bornes e i(t) la
intensidad resultante que circula.

7.4.1- Comportamiento en
corriente continua

Figura 3. Diagrama cartesiano de las tensiones y corriente en una bobina.

Diagrama cartesiano de las tensiones y
corriente en una bobina.

Una bobina ideal en CC se comporta como un cortocircuito
(conductor ideal) mientras que la real se comporta como una
resistencia cuyo valor RL (figura 5a) será el
de su devanado. Esto es así en régimen permanente
ya que en régimen transitorio, esto es, al conectar o
desconectar un circuito con bobina, suceden fenómenos
electromagnéticos que inciden sobre la corriente (ver
circuitos serie RL y RC).

7.4.2- Comportamiento en
corriente alterna

Figura 4. Diagrama fasorial.

Diagrama fasorial.

En CA, una bobina ideal ofrece una resistencia al paso de la
corriente que recibe el nombre de reactancia inductiva,
XL, cuyo valor viene dado por el producto de la
pulsación () por la inductancia, L:

Si la pulsación está en radianes por segundo
(rad/s) y la inductancia en henrios (H) la reactancia
resultará en ohmios.

Al conectar una CA senoidal v(t) a una bobina aparecerá
una corriente i(t), también senoidal, esto es, variable,
por lo que, como se comentó más arriba,
aparecerá una fuerza contraelectromotriz, -e(t), cuyo
valor absoluto puede demostrase que es igual al de v(t). Por
tanto, cuando la corriente i(t) aumenta, e(t) disminuye para
dificultar dicho aumento; análogamente, cuando i(t)
disminuye, e(t) aumenta para oponerse a dicha disminución.
Esto puede apreciarse en el diagrama de la figura 3. Entre
0º y 90º la curva i(t) es negativa, disminuyendo desde
su valor máximo negativo hasta cero, observándose
que e(t) va aumentando hasta alcanzar su máximo negativo.
Entre 90º y 180º, la corriente aumenta desde cero hasta
su valor máximo positivo, mientras e(t) disminuye hasta
ser cero. Desde 180º hasta los 360º el razonamiento es
similar al anterior.

Dado que la tensión aplicada, v(t)es igual a -e(t), o
lo que es lo mismo, está desfasada 180º respecto de
e(t), resulta que la corriente i(t) queda retrasada 90º
respecto de la tensión aplicada.

Consideremos por lo tanto, una bobina L, a la que se
aplica una tensión alterna de valor:

Figura 5.: Circuitos equivalentes de una bobina real en CC, a), y en CA, b) y c).

Circuitos equivalentes de una bobina real en
CC, a), y en CA, b) y c).

De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente
alterna, retrasada 90º (π / 2) respecto a la
tensión aplicada (figura 4), de valor:

$i(t)= {u(t) over R} = I_0 cdot sin(omega t + beta - {pi over 2}),$

donde $I_0 = {V_0 over X_L}$ . Si
se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en forma
polar:

$vec{I} = I underline{mid beta - 90^circ}$

Y operando matemáticamente:

$vec{I} = {V over X_L} underline{mid beta - 90^circ} = {{V underline{mid beta}} over {X_L underline{mid 90^circ}}}$

Por lo tanto, en los circuitos de CA, una bobina ideal se
puede asimilar a una magnitud compleja sin parte real y parte
imaginaria positiva:

$vec{X_L} = 0 + X_Lj = X_L underline{mid 90^circ}$

En la bobina real, habrá que tener en cuenta la
resistencia de su bobinado, RL, pudiendo ser su
circuito equivalente o modelo, el que aparece en la figura 5b) o
5c) dependiendo del tipo de bobina o frecuencia de
funcionamiento, aunque para análisis más precisos
pueden utilizarse modelos más complejos que los
anteriores.

7.5- Asociaciones comunes

Asociación serie general.

Figura 7. Asociación paralelo general.

Asociación paralelo general.

Al igual que la resistencias, las bobinas pueden asociarse en
serie, paralelo o de forma mixta. En estos casos, y siempre que
no exista acoplamiento magnético, la inductancia
equivalente para la asociación serie vendrá dada
por:

$L_{AB} = L_1 + L_2 +...+ L_n = sum_{k=1}^n L_k$

y para la paralelo:

$L_{AB} = {1 over sum_{k=1}^n {1 over L_k} }$

Para la asociación mixta se procederá de forma
análoga que con las resistencias.

Si se requiere una mayor comprensión del comportamiento
reactivo de un inductor, es conveniente entonces analizar
detalladamente la "Ley de Lenz" y comprobar de esta forma como se
origina una reactancia de tipo inductiva , la cual nace debido a
una oposición que le presenta el inductor o bobina a la
variación de flujo magnetico.

7.6- Bobina de Rogowski

La bobina de Rogowski, llamada así en honor a su
inventor Walter Rogowski, es un dispositivo electrónico,
usado como transductor para medir corriente alterna (AC) o pulsos
rápidos de corriente.

Consiste en una bobina de cable en forma de hélice,
alrededor de una circunferencia, como un toroide, pero con
núcleo de aire, y las dos terminales están cercanas
entre si. Una vez que se tiene esta, la bobina se cierra
alrededor del cable conductor que transporta la corriente que se
quiere medir. Dado que el voltaje inducido en la bobina es
proporcional a la velocidad con la que varía la corriente
que se mide en el cable, o a su derivada temporal, la salida
obtenida en la bobina de Rogowski es usualmente conectada a un
dispositivo integrador para obtener la señal proporcional
a la corriente.

Una ventaja de la bobina de Rogowski frente a otros tipos de
transformadores de corriente es que por su diseño puede
ser abierta y flexible, lo cual permite medir un cable conductor
sin perturbarlo. Dado que la bobina de Rogowski no tiene
núcleo de hierro, sino de aire, esta permite tener una
baja inductancia y respuesta a corrientes de rápida
variación. Además, la ausencia de núcleo de
hierro que sature, brinda alta linealidad, aún midiendo
grandes corrientes, tales como las que se observan en
transmisión de energía eléctrica de alta
potencia, soldadura, o aplicaciones con pulsos de alta
potencia.

Una bobina de Rogowski construida apropiadamente, con el
bobinado uniformemente espaciado, también presenta alta
inmunidad a interferencia electromagnética.

Recientemente se han desarrollado sensores de corriente de
bajo costo basados en el principio de la bobina de Rogowski, que
utilizan su principio básico, la diferencia está en
que el sensor puede ser hecho usando una bobina plana en lugar de
la bobina toroidal. Para rechazar la influencia de conductores
externos a la zona de medición, estos sensores usan una
geometría de bobina concéntrica en lugar de la
toroidal para reducir la respuesta a campos externos.

La ventaja principal de un sensor de corriente planar
Rogowski, es que la precisión con la que se hace el
devanado, la cual es un requerimiento para obtener buenas
mediciones, puede ser lograda usando placas de circuito impreso
de bajo costo.

7.7- Bobina de Tesla

Una bobina de Tesla (también simplemente: bobina tesla)
es un tipo de transformador resonante, llamado así en
honor a su inventor, Nikola Tesla. Las bobinas de Tesla
están compuestas por una serie de circuitos
eléctricos resonantes acoplados. En realidad Nikola Tesla
experimentó con una gran variedad de bobinas y
configuraciones, así que es difícil describir un
modo específico de construcción que satisfaga a
aquellos que hablan sobre bobinas de "Tesla". Las "primeras"
bobinas y las bobinas "posteriores" varían en
configuraciones y montajes. Generalmente las bobinas de Tesla
crean descargas eléctricas de largo alcance, lo que las
hace muy populares entre los entusiastas del alto voltaje.

8.- La
Construcción de un Transformador

8.1- Consideraciones generales.

Un transformador consta de dos partes esenciales: El
núcleo magnético y los devanados, estos
están relacionados con otros elementos destinados a las
conexiones mecánicas y eléctrica entre las
distintas partes al sistema de enfriamiento, al medio de
transporte y a la protección de la máquina en
general. en cuanto a las disposiciones constructivas, el
núcleo determina característica relevantes, de
manera que se establece una diferencia fundamental en la
construcción de transformadores, dependiendo de la forma
del núcleo, pudiendo ser el llamado NUCLEO TIPO COLUMNAS y
el NUCLEO TIPO ACORAZADO, existen otros aspectos que establecen
diferencias entre tipos de transformadores, como es por ejemplo
el sistema de enfriamiento, que establece la forma de
disipación del calor producido en los mismos, o bien en
términos de su potencia y voltaje para aplicaciones, como
por ejemplo clasificar en transformadores de potencia a tipo
distribución.

8.2- La construcción del núcleo.

El núcleo magnético está formado por
laminaciones de acero que tienen pequeño porcentajes de
silicio (alrededor del 4%) y que se denominan "laminaciones
magnéticos", estas laminaciones tienen la propiedad de
tener pérdidas relativamente bajas por efecto de
histéresis y de corrientes circulantes.

Están formados por un conjunto de laminaciones
acomodadas en la forma y dimensiones requeridas. La razón
de usar laminaciones de acero al silicio en los núcleos de
las máquinas eléctricas, es que el silicio aumenta
la resistividad del material y entonces hace disminuir la
magnitud de las corrientes parásitas o circulantes y en
consecuencia las pérdidas por este concepto.

En el caso de transformadores de gran potencia, se usan las
llamadas "laminaciones de cristal orientado" cuyo espesor es de
algunos milímetros y contienen entre 3% y 4% de silicio,
se obtienen de material laminado en caliente, después se
hace el laminado en frío, dando un tratamiento
térmico final a la superficie de las mismas. Este tipo de
laminación cuando se sujetan al flujo en la
dirección de las laminaciones, presentan propiedades
magnéticas mejores que la laminación "normal" de
acero al silicio usada para otro tipo de transformadores.

8.2.1- Elementos de los núcleos de
transformadores.

En los núcleos magnéticos de los transformadores
tipo columna se distinguen dos partes principales: "las columnas"
o piernas y los "yugos". En las columnas se alojan los devanados
y los yugos unen entre si la las columnas para cerrar el circuito
magnético.

Debido a que las bobinas se deben montar bajo un cierto
procedimiento y desmontar cuando sea necesario por trabajos de
mantenimiento, los núcleos que cierran el circuito
magnético, terminar al mismo nivel en la parte que
está en contacto con los yugos, o bien con salientes. En
ambos casos los núcleos se arman con "juegos" de
laminaciones para columnas y yugos que se arman por capas de
arreglos "pares" e "impares".

Cuando se emplean laminaciones de cristal orientado, es
necesario que las uniones entre yugos y columnas se realicen con
cortes inclinados para evitar trayectorias transversales de las
líneas de flujo respecto a tales direcciones.

Cuando se han armado los niveles a base de juegos de
laminaciones colocadas en "pares" e "impares" el núcleo se
sujeta usando tornillos opresores y separa por medio de los
tornillos tensores.

En cuanto a los Yugos, se refiere, no estando vinculados estos
con los devanados, pueden ser, entonces, rectangulares,
aún cuando pueden tener también escalones para
mejorar el enfriamiento.

8.3- Tipos de núcleos.

Cuando
se ha mencionado con anterioridad, laso núcleos para
transformadores se agrupan básicamente en las siguientes
categorías:

a) Tipo
núcleo o de columnas.

b) Tipo acorazado.

c) Tipo
núcleo o de columnas.

Existen distintos tipos de núcleos tipos columna, que
está caracterizados por la posición relativa de las
columnas y de los yugos.

8.3.1- Núcleo monofásico.

Se tienen dos columnas unidas en las partes inferior y
superior por medio de un yugo, en cada una de estas columnas se
encuentran incrustados la mitad del devanado primario y la mitad
del devanados secundario.

8.3.2- Núcleo trifásico.

Se tienen tres columnas dispuestas sabor el mismo plano unidas
en sus partes inferior y superior por medio de yugos. Sobre cada
columna se incrustan los devanados primarios y secundario de una
fase. Las corrientes magnetizantes de las tres fases son
distintas entre sí, debido principalmente a que el
circuito magnético de las columnas externas es más
largo que el correspondiente a la columna central.

Este desequilibrio, tomando en cuenta que la corriente
magnetizantes de las tres fases son distintas entre sí,
debido principalmente que el circuito magnético de las
columnas externas es más largo que el correspondiente a la
columna central. Este desequilibrio, tomando en cuenta que la
corriente de vacío es bastante baja, tiene influencia
solamente para las condiciones de operación en
vacío.

8.3.3- Tipo acorazado.

Este tipo de núcleo acorazado, tiene la ventaja con
respecto al llamado tipo columna, de reducir la dispersión
magnética, su uso es más común en los
transformadores monofásicos. En el núcleo
acorazado, los devanados se localizan sobre la columna central, y
cuando se trata de transformadores pequeños, las
laminaciones se hacen en troqueles. Las formas de
construcción pueden ser distintas y varían de
acuerdo con la potencia.

8.3.4- Herrajes o armadura.

Como se ha mencionado antes, los núcleos de los
transformadores tienen partes que cumplen con funciones puramente
mecánicas de sujeción de las laminaciones y
estructuras, estas pares o elementos se conocen como "herrajes" o
armadura y se complementan con componentes como fibra se vidrio o
madera para protección de la sujeción de los
yugos.

8.4- Los devanados de los transformadores.

Los devanados de so transformadores se pueden clasificar en
baja y alta tensión, esta distinción es de tipo
global y tiene importancia para los propósitos de el
realización práctica de los devanados debido a que
los criterios constructivos para la realización de los
devanados de baja tensión, son distintos de los usados
para los devanados de alta tensión.

Para los fines constructivos, no tiene ninguna importancia la
función de un devanado, es decir, que sea primario o el
secundario, importa solo la tensión para la cual debe ser
previsto.

Otra clasificación de los devanados se puede hacer con
relación a la potencia del transformador, para tal fin
existen devanados para transformadores de baja potencia, por
ejemplo de 1000 a 2000 VA y para transformadores de media y gran
potencia. Los devanados para transformadores de pequeña
potencia son los más fáciles de realizar.

En este tipo de transformadores los devanados primario y
secundario son concéntricos y bobinado sobre un soporte
aislante único. Por lo general, se usan conductores de
cobre esmaltado, devanados en espiral y con capas sobrepuestas.
Por lo general, el devanado de menor tensión se instala
más cerca del núcleo interponiendo un cilindro de
papel aislante y mediante separadores, se instala en forma
concéntrica el devanado de tensión mayor. Los
extremos de los devanados (denominados también principio y
final del devanador) se protegen con aislante de forma de tubo
conocido como "spaguetti".

8.4.1- Devanados para transformadores de
distribución.

En estos transformador, las diferencia entre las tensiones
primaria y secundaria es notable, por ejemplo, los transformados
para reces de distribución de 13200 volts a las tensiones
de utilización de 220/127 volts debido a estas
diferencias, se emplean criterios constructivo distintos a os
considerados en los transformadores pequeños de baja
tensión y se dividen en devanados de baja tensión y
de alta tensión.

8.4.2- Devanados de baja tensión.

Están constituidos por lo general, de una sola espiral
(algunas veces en dos o tres capas sobrepuestas), con alambres
rectangular aislado.

El conductor se usa generalmente para potencia
pequeñas y tiene diámetros no superiores a 3 o 3.5
mm. El aislamiento de los conductores, cuando son
cilíndricos, puede ser de algodón o de papel,
más raramente conductor esmaltado en el caso que los
transformadores que no sean enfriados por aceite.

Para transformadores de mediana y gran potencia, se recurre al
uso de placa o solera de cobre aislada, el aislamiento es por lo
general de papel. En el caso de que las corrientes que transporte
el devanado sean elevadas ya sea por vacilidad de
manipulación en la construcción o bien para reducir
las corrientes parásitas, se puede construir el devanado
don más de una solera o placa en paralelo.

8.4.3- Devanados de alta tensión.

Los devanados de alta tensión, tiene en
comparación con los de baja tensión, muchos
espiras, y la corriente que circula por ellos, es relativamente
baja, por lo que son de conductor de cobre de sección
circular con diámetro de 2.5 a 3.0 mm.

Con respecto a las características constructivas, se
tienen variantes de fabricante a fabricante, hay
básicamente dos tipos, el llamado "tipo bobina" formados
de varias capas de condutores, estas bobinas tienen forma
discoidal, estas bobinas se conectan, por lo general, en serie
para dar el número total de espiras de una fase. El otro
tipo des el llamado "de capas" constituido por una sola bobina
con varias capas, esta bobina es de longitud equivalente a las
varias bobinas discoidales que constituirían el devanado
equivalente, por lo general, el número de espiras por capa
en este tipo de devanado, es superior al constituido de varias
bobinas discoidales.

Como aspectos generales, se puede decir que el primer tipo
(bobinas discoidales), da mayor facilidad de enfriamiento e
impregnarse de aceite, debido a que dispone canales de
circulación más numerosos, también tiene la
ventaja de que requiere de conductores de menor diámetro
equivalente al otro tipo, da mayor facilidad constructiva. Tiene
la desventaja de ser más tardado en su
construcción.

Las bobinas discoidales se conocen también como "tipo
galleta" en algunos casos, se forman cada una, de un cierto
número de conductores dispuestos en capas y aisladas estas
capas entre sí por papel aislante, cada bobina al terminar
se "amarra" con cinta de lino o algodón para darle
consistencia mecánica y posteriormente se les da un
baño de barniz y se hornean a una cierta temperatura, con
lo cual adquiere la rigidez mecánica necesaria. Cada
bobina, está diseñada para tener una tensión
no superior a 1000-1500 volts, por lo que para dar la
tensión necesaria para una fase, se deben colocar varias
bobinas en serie.

8.4.4- Posición de los devanados.

La disposición de los devanados en los transformadores,
debe ser hecha de tal forma, que se concilien en la mejor forma
las dos exigencias que son contrastentes entre sí, del
aislamiento y de la menor dispersión del flujo. La primera
requiere de la mayor separación entre devanados, en tanto
que la segunda, requiere que el primario s encuentra los
más cercano posible del secundario,. En la
práctica, se alcanza una solución conveniente del
problema con la disposición de los devanados dentro e los
siguientes tipos:

Ø Concéntrico.

Ø Concéntrico
doble.

Ø Alternado.

En el tipo concéntrico, cada uno de los devanados
está distribuido a lo largo de toda la columna el devanado
de tensión más baja se encuentra en al parte
interna (más cercan al núcleo) y aislado del
núcleo, y del de tensión más elevada, por
medio de tubos aislantes (cartón baquelizado, baquelita,
etc.).

En la disposición de concéntrico doble, el
devanado de tensión más de baja se divide en dos
mitades dispuestas respectivamente al interior y al exterior uno
de otro.

En el llamado tipo alternado, los dos devanados están
subdivididos cada uno en una cinta número de bobinas que
están dispuestas en las columnas en forma alternada.

La consideraciones que orientan desde el punto de vista de
diseño, la disposición de los devanados, son
aquellos referentes al enfriamiento, el aislamiento, la
reactancia de dispersión y a los esfuerzos
mecánicos.

Con relación a los aislamientos, la solución
más conveniente la representa el tipo concéntrico
simple, porque requiere de una sola capa aislante entre los dos
devanados, por lo que esta disposición es ventajosa en el
caso de tensiones elevadas.

El llamado concéntrico doble tiene la prerrogativa de
dar lugar a la reactancia de dispersión con valor de
alrededor de la mitad de aquel relativo al concéntrico
simple. El tipo alternado, en cambio, permite variar tales
reactancias, repartiendo en forma distinta las posiciones de las
bobinas de los dos devanados.. para los esfuerzo mecánicos
son mejor las disposiciones de tipo alternado, pues permite que
el transformador soporte mejor los esfuerzos
mecánicos.

8.4.5- Construcción de los devanados.

Como se indicó anteriormente, los conductores usados
para la construcción de los devanados, pueden ser de
alambre circular (como un diámetro comprendida entre 0.2 y
0.4 mm) o bien solera de distintas medidas.

Según sea el tipo de las espiras de las bobinas, se
pueden construir en dos formas.

Ø Helicoidadl
contínua.

Ø Con bobinas separadas
(discoidales).

Las bobinas helicoidales se hacen, por lo general, cuando el
conductor empleado es de solera, lo único que se debe
tener cuidado es en la forma del aislamiento con respecto al
núcleo y eventualmente su constitución
mecánica. Este tipo de construcción tiene
cierto tipo de limitaciones, en cuanto al aislamiento se
refiere, aún cuando se puede construir en varias capas,
por lo que su práctica se limita a los devanados de baja
tensión.

La construcción de bobinas discoidales (para devanados
con bobinas separadas), generalmente se hace con el mismo
número de espiras por bobinas y de capas se hace de manera
que se limite la tensión máxima entre espiras de
capas adyacentes a una valor entre 200 y 300 volts, con esto se
espera que en general, y sólo en casos excepcionales, el
voltaje por bobina sea cuando mucho 1000 volts entre capas
separadas por papel aislante.

Con relación a al posición de los
devanados, los transformadores son de dos tipos: de devanados
concéntricos y devanados alternados.

En el caso de los transformadores con devanados
concéntricos, estos, los devanados primario y secundario,
son completamente distintos y se encuentran montados uno dentro
del otro sabor el núcleo, estando, por razones de
aislamiento, principalmente el devanado de menor voltaje
más cerca del núcleo.

En transformadores de mayor potencia y sólo
excepcionalmente, se puede dividir el devanado de bajo voltaje en
dos partes, de manera que uno quede cercano al núcleo y la
otra se coloque sobre el devanado de lata tensión, es
decir, es un doble concéntrico.

La disposición de los devanados concéntrica, es
la que tiene un mayor campo de aplicación.

Cualquiera que sea el tipo de devanado, la construcción
de las bobinas se hace normalmente sobre moldes de madera o
metálicos montados sobre bobinadoras o devanadoras cuyo
tipo es distinto, dependiendo principalmente del tamaño de
bobinas por construir. En el caso de bobinas para transformadores
pequeños, que se pueden hacer en talleres de bobinado,
estas bobinas son de tipo manual, y eventualmente se pueden
llegar a usar tornos.

Cuando se termina de devanar una bobina, antes su
montaje se le debe dar un tratamiento como secarla en
vacío para quitar posibles restos de humedad, y
también un proceso de impregnación de barniz
aislante y horneado a una temperatura que depende del tipo de
barniz y cuyo objetivo es dar consistencia mecánica.

8.4.6- Aislamiento externo de los devanados.

Los devanados primario y secundario, deben estar aislados
entere sí, generalmente este aislamientos de por medio de
separadores de madera, baquelita o materiales aislantes similares
que además cumplan con funciones refrigerantes.

8.4.7- Sistema de Amarre Axial de los Devanados Mediante
Tornillos Opuestos de Presión

El aislamiento entre las fase de los transformadores
trifásicos se efectúa separando convenientemente
las columnas, entre las cuales se interponen algunas veces
separadores o diafragmas de cartón tratado o bien de
baquelita.

El aislamiento externo entre las fases, se logra por medio de
las boquillas a las que se conectan las terminales de los
devanados.

8.5-Conexiones de los devanados.

Cuando se construye un devanado, se puede bobinar en el
sentido a la derecha o a la izquierda (con respecto al sentido de
las manecillas del reloj), se ha observado que una corriente que
tiene un determinado sentido, produce un flujo magnético
en sentido opuesto, se tiene un devanado construido hacia la
izquierda o un devanado hacia la derecha, esto se debe tomar en
consideración, para evitar que con la conexiones que se
realicen, se tengan flujos opuestos o voltajes inducidos
opuestos. En general, cada fabricante adopta un sentido
único de devanado para todas las bobinas, tanto
secundarias como primarias.

En los transformadores monofásicos de dos columnas, el
flujo es directo y en sentido opuesto en las dos columnas, esto
significa que debe haber una forma de conexión.

8.6-Cambio en al relación de
transformación.

En una red de distribución, la tensión no es
exactamente la misma en todos los puntos, debido a que la
caída de tensión depende de la distancia del punto
de alimentación y de la magnitud de la carga. Para poder
emplear los transformadores de distribución en los
distintos puntos de la red y adaptarlos a las variaciones
tensión, se provee uno de los devanados de un cambiador de
derivaciones (El de alta tensión) de tal forma que se
puedan aumentar o disminuir el número de espiras y en
consecuencia, variar la relación de transformación
dentro de límites establecidos, estos límites,
normalmente son del 5%.

8.7- Materiales Eléctricos Usados en la
construcción de Transformadores

8.7.1-Conductores eléctricos.

Los
materiales usado como conductores en los transformadores, al
igual que los usados en otras máquinas eléctrica,
deben ser de alta conductividad, ya que con ellos se fabrican las
bobinas. Los requisitos fundamentales que deben cumplir los
materiales conductores, son los siguientes:

1. La más alta
conductividad posible.

2. El menor coeficiente
posible de temperatura por resistencia eléctrica.

3. Una adecuada
resistencia mecánica.

4. Deben ser ductibles y
maleables.

5. Deben ser
fácilmente soldables.

6. Tener una adecuada
resistencia a la corrosión.

La resistividad o resistencia específica, al
tensión disruptiva, la permitividad y la histéresis
dieléctrica en adición a las propiedades
dieléctricas se deben considerar también las
propiedades mecánicas y su capacidad para soportar la
acción de agentes químicos, el calor y otros
elementos presentes durante su operación.

8.7.2- La temperatura y los materiales aislantes.

Uno de los factores que más afectan la vida de los
aislamientos, es la temperatura de operación de las
máquinas eléctricas, esta temperatura está
producida principalmente por las pérdidas y en el caso
específico de los transformadores, durante su
operación, estas pérdidas están localizadas
en los siguientes elementos principales:

El núcleo o circuito magnético, aquí las
pérdidas son producidas por el efecto de histéresis
y las corrientes circulantes en las laminaciones, son
dependientes de la inducción, es decir, que influye el
voltaje de operación.

Los devanados, aquí las pérdidas se deben
principalmente al efecto joule y en menos medida por corrientes
de Foucault, estas pérdidas en los devanados son
dependientes de la carga en el transformador.

Se presentan también pérdidas en las uniones o
conexiones que se conocen también como "puntos calientes"
así como en los cambiadores de derivaciones.

Todas estas pérdidas producen calentamiento en los
transformadores, y se debe elimina este calentamiento a valores
que no resultan peligrosos par also aislamientos, por medio de la
aplicación de distintos medios de enfriamiento.

Con el propósito de mantener en forma confiable y
satisfactoria la operación de las maquinas
eléctricas, el calentamiento de cada una de sus partes, se
debe controlar dentro de ciertos límites previamente
definidos.

Las perdidas en una máquina eléctrica son
importantes no tanto porque constituyan una fuente de
ineficiencia, sino porque pueden representar una fuente
importante de elevación de temperatura para los devanado,
esta elevación de temperatura puede producir efectos en
los aislamientos de los propios devanados, o bien en los
aislamientos entre devanados y el núcleo, por esta
razón, es siempre importante que todos los aislamientos
entre devanados y el núcleo, por esta razón, es
siempre importante que todos los aislamientos ese mantengan
dentro de los límites de temperatura que garanticen su
correcta operación, sin perder su efectividad.

Como la elevación en la temperatura depende
también de la carga en las máquinas dentro de sus
límites de carga o "cargabilidad" establecidos, para
así respetar los límites de temperatura de su
aislamientos.

En su régimen nominal de operación, un
transformador tiene estrechamente, ligado su voltaje y potencia a
los límites impuestos por los aislamientos usados y en
menor grado por las pérdidas por efecto joule.

8.7.3- Clasificación de los materiales
aislantes.

La clasificación de los materiales aislantes para
máquinas eléctricas con relación a su
estabilidad terminal, cubre básicamente siete clases de
materiales aislantes que se usan por lo general y que son los
siguientes:

Una descripción breve de estos materiales se
dan a continuación:

Clase Y.

Este aislmiento consiste de materiales o combinaciones de
materiales, tales como algodón, seda y papel sin
impregnar.

Clase A.

Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de
materiales tales como el algodón, sed ya papel con alguna
impregnación o recubrimiento o cuando se sumergen en
dialécticos líquidos tales como aceite. Otros
materiales o combinación de materiales que caigan dentro
de estos límites de temperatura, pueden caer dentro de
esta categoría.

Clase E.

Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de
materiales que por experiencia o por pruebas, pueden operar a
temperaturas hasta de 5 oC, sobre el temperatura de los
aislamientos Clase A.

Clase B.

Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de
materiales tales como la única, fibra de vidrio, asbestos,
etc. con algunas substancias aglutinantes, pueden haber otros
materiales inorgánicos.

Clase F.

Este aislamiento consiste en materiales o combinaciones de
materiales tales como mica, fibra de vidrio, asbesto, etc., con
sustancias aglutinables, así como otros materiales o
combinaciones de materiales no necesariamente
inorgánicos.

Clase H.

Este aislamiento consiste de materiales tales como el
silicón, elastómetros y combinaciones de materiales
tales como la mica, la fibra de vidrio, asbestos, etc., con
sustancias aglutinables como son las resinas y silicones
apropiados.

Clase C.

Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de
materiales tales como la mica, la porcelana, vidrio, cualzo con o
sin aglutinantes.

8.9- Métodos de Enfriamiento de Transformadores de
Potencia.

Como ya se mencionó antes, el calor producido por las
pérdidas en los transformadores afecta la vida de los
aislamientos, por esta razón es importante que este calor
producidos disipe de manera que se mantenga dentro de los
límites tolerables por los distintos tipos de
aislamiento.

La transmisión del calor tiene las etapas siguientes en
so transformadores:

Ø Conducción a
través del núcleo, bobinas y demás elementos
hasta la superficie.

Ø Transmisión por
convección en el caso de los transformadores secos.

Ø Para los
transformadores en aceite, el calor se transmite por
convección a través de este dieléctrico.

Conclusión

La invención del transformador, data del año de
1884 para ser aplicado en los sistemas de transmisión que
en esa época eran de corriente directa y presentaban
limitaciones técnicas y económicas. El primer
sistema comercial de corriente alterna con fines de
distribución de la energía eléctrica que
usaba transformadores, se puso en operación en los Estados
Unidos de América. En el año de 1886 en Great
Barington, Mass., en ese mismo año, al protección
eléctrica se transmitió a 2000 volts en corriente
alterna a una distancia de 30 kilómetros, en una
línea construida en Cerchi, Italia. A partir de esta
pequeñas aplicaciones iniciales, la industria
eléctrica en el mundo, ha recorrido en tal forma, que en
la actualidad es factor de desarrollo de los pueblos, formando
parte importante en esta industria el transformador.

El transformador, es un dispositivo que no tiene partes
móviles, el cual transfiere la energía
eléctrica de un circuito u otro bajo el principio de
inducción electromagnética. La transferencia de
energía la hace por lo general con cambios en los valores
de voltajes y corrientes.

Un transformador elevador recibe la potencia eléctrica
a un valor de voltaje y la entrega a un valor más elevado,
en tanto que un transformador reductor recibe la potencia a un
valor alto de voltaje y la entrega a un valor bajo.